弱碰撞等離子體中金屬柵網(wǎng)附近穩(wěn)態(tài)和預(yù)鞘的實(shí)驗(yàn)診斷與數(shù)值模擬.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、等離子體鞘層是等離子體物理中最古老的問題之一,也是等離子體物理中最重要的基本問題之一,不僅在等離子體基礎(chǔ)理論研究中具有重要意義,而且在等離子體診斷、表面處理和聚變研究等領(lǐng)域中也有實(shí)際應(yīng)用。鞘層的基本理論目前已經(jīng)比較完善了,但鞘層的實(shí)驗(yàn)診斷工作開展的并不多,且前人的鞘層實(shí)驗(yàn)診斷工作,主要針對的是全吸收的器壁或電極(如金屬平板)形成的穩(wěn)態(tài)鞘層。而在實(shí)驗(yàn)室等離子體中,部分吸收的電極(如金屬柵網(wǎng)、球形電極)常被用于控制等離子體參數(shù)或激發(fā)各種離子

2、波動(dòng)模式,且激發(fā)出的等離子體集體波動(dòng)模式及其特性受柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響很大。因此,在實(shí)驗(yàn)上對負(fù)偏壓的金屬柵網(wǎng)形成的穩(wěn)態(tài)離子鞘進(jìn)行診斷,探索不同條件下柵網(wǎng)附近鞘層結(jié)構(gòu)的特性,在等離子體基礎(chǔ)研究中具有重要的意義。
   本文從實(shí)驗(yàn)上研究了在改進(jìn)型雙等離子體裝置中負(fù)偏壓的金屬柵網(wǎng)附近的鞘和預(yù)鞘結(jié)構(gòu)特點(diǎn),比較了柵網(wǎng)和金屬平板形成的穩(wěn)態(tài)離子鞘鞘層結(jié)構(gòu)的異同,還比較了柵網(wǎng)的疏密對穩(wěn)態(tài)離子鞘鞘層結(jié)構(gòu)的影響,并利用數(shù)值模擬手段研究了金屬柵網(wǎng)附近的鞘層結(jié)

3、構(gòu)。
   首先,負(fù)偏壓的柵網(wǎng)對其周圍的等離子體狀態(tài)有明顯影響。在靠近小柵網(wǎng)的區(qū)域內(nèi),利用Langmuir探針測得的電子溫度明顯上升,等離子體密度下降趨勢也更加明顯,這一明顯受影響的區(qū)域的尺度和離子的平均自由程長度相當(dāng),因此可以認(rèn)為這一區(qū)域?yàn)榻饘贃啪W(wǎng)的預(yù)鞘區(qū)。實(shí)驗(yàn)上也可以利用這一變化特點(diǎn)來確定主等離子體和預(yù)鞘的邊界。
   還利用發(fā)射探針仔細(xì)測量了負(fù)偏壓金屬柵網(wǎng)附近穩(wěn)態(tài)離子鞘和預(yù)鞘的電勢分布。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和穩(wěn)態(tài)離子鞘的理

4、論模型符合得很好。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),弱碰撞等離子體中柵網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)離子鞘存在一個(gè)過渡區(qū),過渡區(qū)的長度和部分文獻(xiàn)中的模型估算一致。
   其次,我們利用發(fā)射探針仔細(xì)測量了負(fù)偏壓金屬柵網(wǎng)和金屬平板附近的穩(wěn)態(tài)離子鞘和預(yù)鞘的電勢分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,金屬柵網(wǎng)和金屬平板的鞘內(nèi)電勢分布隨空間位置的變化趨勢是一致的,但是金屬柵網(wǎng)的鞘厚明顯小于金屬平板,柵網(wǎng)附近的鞘內(nèi)平均電場也更大,其原因可能如下。金屬平板可以視為全吸收的邊界,離子運(yùn)動(dòng)到平板表面即被平板吸

5、收,而柵網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和平板不同,對離子是部分透射的,在柵網(wǎng)一側(cè)的離子有一定概率可以穿過柵網(wǎng),進(jìn)入另一側(cè)的鞘層,這也就導(dǎo)致鞘內(nèi)的離子密度升高,電場變大。
   再次,金屬柵網(wǎng)的疏密程度對鞘層結(jié)構(gòu)的影響也很明顯,柵網(wǎng)越疏,其附近的離子鞘越薄。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),在鞘層外圍及預(yù)鞘區(qū)域內(nèi),看不出柵網(wǎng)疏密對鞘層結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)驗(yàn)測得的鞘和預(yù)鞘邊界的電場值和理論值接近,且不隨柵網(wǎng)的疏密改變而變化。
   最后,我們建立了柵網(wǎng)鞘層的無碰撞二維流體模

6、型,用有限差分法求解了負(fù)偏壓柵網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)離子鞘。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量所得的結(jié)果在變化趨勢上一致,且對柵網(wǎng)的鞘層結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步的解釋,在很大程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)診斷的局限性。數(shù)值模擬的主要有兩點(diǎn)結(jié)論:首先,由于柵網(wǎng)是部分透射的,離子在柵網(wǎng)的空隙中和柵網(wǎng)表面附近將發(fā)生積聚,導(dǎo)致柵網(wǎng)表面附近的等效電勢比柵網(wǎng)所加負(fù)偏壓高,而金屬平板的表面電勢和其負(fù)偏壓相等,因此柵網(wǎng)附近的鞘層要比全吸收的金屬平板的鞘層薄一些。其次,隨著柵網(wǎng)幾何透過率的增大,離子在柵

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