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

1、等離子體鞘層是等離子體物理中最古老的問(wèn)題之一，也是等離子體物理中最重要的基本問(wèn)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(kāi)展的并不多，且前人的鞘層實(shí)驗(yàn)診斷工作，主要針對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其周?chē)牡入x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(cè)得的電子溫度明顯上升，等離子體密度下降趨勢(shì)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(zhǎng)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(lái)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(cè)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(shì)分布。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)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(cè)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(shì)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(shì)分布隨空間位置的變化趨勢(shì)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(chǎng)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(duì)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(guò)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(chǎng)變大。
　　 再次，金屬柵網(wǎng)的疏密程度對(duì)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(duì)鞘層結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鞘和預(yù)鞘邊界的電場(chǎng)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(wú)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(cè)量所得的結(jié)果在變化趨勢(shì)上一致，且對(duì)柵網(wǎng)的鞘層結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步的解釋?zhuān)诤艽蟪潭壬蠌浹a(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(shì)比柵網(wǎng)所加負(fù)偏壓高，而金屬平板的表面電勢(shì)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(guò)率的增大，離子在柵