電磁波在非均勻大氣等離子體中的傳播低氣壓電容耦合等離子體的實驗研究.pdf

1、本文包括兩個部分的內容。
　　 第一部分主要討論電磁波在大氣等離子體中的傳播。結合隱式差分格式和辛普森積分算法數(shù)值求解電磁波在一維非均勻大氣等離子體中傳播的微分-積分方程，討論了電磁波的傳播行為與等離子體參數(shù)的關系。相位移與等離子體的厚度以及平均電子密度成正比；當電子-中性粒子的碰撞頻率等于電磁波的角頻率時，透射波的衰減達到最大；反射率的大小由電子密度分布的空間梯度以及平均電子密度決定；除經典電子-中性粒子碰撞吸收外，還有跡象表

2、明在等離子體內入射電磁波對應的臨界密度附近發(fā)生了電磁波-靜電波的波模轉換，然后靜電波可能通過碰撞阻尼或朗道阻尼被電子吸收；當電子-中性粒子的碰撞頻率低于電磁波的角頻率時，碰撞會加強電子的碰撞吸收和靜電波的吸收；當電子-中性粒子的碰撞頻率高于電磁波的角頻率時，電子的碰撞吸收占主導，且碰撞頻率的增加不利于波的被吸收。最后通過與WKB近似的解析解比較發(fā)現(xiàn)，若電子密度的空間分布平緩，兩種方法得到的結果幾乎重合。但電子-中性粒子的碰撞頻率小、電子

3、密度分布具有很大的變化率時，WKB近似的誤差最大，因此WKB近似不適合描述空間分布很不均勻的等離子體或其他介質內波的傳播。
　　 第二部分是基于低氣壓電容耦合等離子體的實驗。
　　 首先介紹利用Smith圖實現(xiàn)不同頻率下的功率匹配，發(fā)現(xiàn)匹配器內的串聯(lián)調節(jié)電容主要由放電的等效電抗決定而并聯(lián)調節(jié)電容由放電的等效電阻決定。利用系統(tǒng)的等效電路估算不同頻率下等離子體與腔室的等效阻抗，得出功率耦合效率隨著頻率的增加而下降以及腔室在低

4、頻時等效為電容和高頻下等效為電感的結論。其次解釋腔室的非對稱性結構會使地電極面積小于驅動電極的系統(tǒng)出現(xiàn)負偏壓，并介紹如何利用直流偏壓的突變觀察等離子體狀態(tài)的突變，如小孔泄漏。
　　 實驗的重點是離子能量分布的測量。結論如下：
　　 1)離子通量由電子吸收的能量與產生單個電子-離子對的等效電子碰撞能量損失決定。增加頻率、極板電壓以及氣壓會增加電子吸收的能量，但是同時會改變等離子體內部的電子能量分布、化學反應過程，這些都會強

5、烈的影響等效電子碰撞能量損失，因此離子通量與放電條件的關系復雜。
　　 2)固定射頻電壓，測量了不同頻率下Ar等離子體的離子能量分布，獲得了離子通量與頻率的關系，同時給出離子的平均能量、展寬、平均鞘層厚度與頻率、氣壓的關系。
　　 3)固定輸入射頻功率，測量了不同頻率下O2等離子體的離子能量分布，獲得了離子通量與頻率的關系，同時給出離子的平均能量、展寬、平均鞘層厚度與頻率、功率的關系。
　　 4)估算電子碰撞能量