LEAD螺旋波射频等离子体电子能量分布函数的测量

通过电压扫描探针测量了LEAD装置螺旋波射频等离子体伏安特性曲线和电子能量分布函数,并对等离子体基本参数剖面如电子温度、密度、等离子体电位和鞘电位降系数等进行了计算。实验发现在LEAD装置半径5cm以内的位置电子能量分布函数都遵循麦克斯韦分布。而在半径7cm附近,即与射频源线圈处于相同径向位置,电子能量呈现出典型的双麦克斯韦分布特征,这将导致传统探针基于麦克斯韦分布假设的诊断结果需要修正。

ECR放电中电子能量分布函数的确定

在ECR放电实验中 ,我们测量了简单镜中捕获的电子能量分布函数 .通过测量双延迟势 ,可获得ECR放电中电子在磁镜装置镜喉区域的电子能量分布函数 .利用光谱变分和朗缪尔探针可以确定电子分布函数的某些参数 .放电是在氩气中进行的 .实验中发现 ,不同的等离子体态有不同的分布函数 ,它们呈现出指数分布与幂分布 .

甚高频激发容性耦合氩等离子体的电子能量分布函数的演变

甚高频激发的容性耦合等离子体由于离子通量和能量的相对独立可控而受到人们的关注.本文采用朗缪尔探针诊断技术测量了40.68 MHz激发的容性耦合Ar等离子体的特性(如电子能量概率分布、电子温度和密度等)随宏观参量的演变情况.实验结果表明,电子能量概率分布随着气压的增加从双麦克斯韦分布逐步转变为单麦克斯韦分布并最终演变为Druyvesteyn分布,而射频激发功率的增加促进了低能电子布居数的增强;在从等离子体放电中心移向边界的过程中,低能电子的布居数显著下降,而高能电子的布居则有所上升;放电极板间距的变化直接导致了等离子体中电子加热模式的转变.另外,我们也对等离子体中的高低能电子密度和温度的分配情况进行了讨论.

基于流体模型和非平衡态电子能量分布函数的高功率微波气体击穿研究

用流体模型研究高功率微波气体击穿时,电子能量分布函数常被假设为麦克斯韦分布形式,此假设可能将给模拟结果带来较大的误差.通过求解玻尔兹曼方程,得到非平衡状态下的电子能量分布函数.分别将上述两类分布函数引入到流体模型中,对氩气击穿进行了数值模拟.结果表明,基于非平衡分布函数得到的击穿时间与粒子模拟结果符合得很好,而当平均电子能量较低时,麦克斯韦分布函数的高能尾部导致了较短的击穿时间.最后,采用非平衡分布函数计算了不同压强下的氩气击穿阈值,发现其与实验结果基本符合.

弱电离大气等离子体电子能量分布函数的理论研究

使用球谐展开的方法求解玻尔兹曼方程,得到了弱电离大气等离子体(79%氮气和21%的氧气)的电子能量分布函数(EEDF).发现当约化电场较小时(E/N<100Td),EEDF在2—3eV急剧下降,在此情况下,高能尾部比麦氏分布要小;当约化电场增加,E/N>400Td,分布函数趋近于麦氏分布;当约化电场进一步增加,E/N>2000Td,EEDF的高能尾部(超过200eV)相对于麦氏分布增加.在高频场作用下,EEDF更倾向于麦氏分布.当ω﹤﹤vm时,有效电子温度只依赖于E/ω,而与碰撞频率无关;当ω>>vm时,有效电子温度只依赖于E/N,与微波频率无关.与一些单原子分子等离子体中电子-电子碰撞在电离度大于106时就会影响EEDF不同,空气等离子体中,只有当电离度大于0.1%时,电子-电子碰撞才会对EEDF有明显影响.

利用气辉测量结果研究高频电波加热电离层实验中电子能量分布

研究了高频电波加热电离层实验期间电子能量分布函数,利用美国HAARP和欧洲EISCAT实验中630.0 nm、557.7 nm与844.6 nm等气辉辐射测量结果,给出了在红光与绿光强度比值小于10和比值大于等于10两种情况下电子能量分布函数表达式,在3~100 eV电子能量范围内,分段幂指数因子随电子能量的增加而下降,并利用获得电子能量分布函数对其他电离层加热期间气辉辐射进行计算,红光与绿光辐射强度之比与实验测量结果相符,从而验证了获得的电子能量分布函数.

介质阻挡放电等离子体中的电子碰撞能量转换过程

通过计算建立的介质阻挡放电等离子体动力学模型,分析了等离子体中电子碰撞过程中的电子能量转换过程,为掌握等离子体强化燃烧机理奠定基础。结果表明:介质阻挡放电等离子体中的电子能量分布函数主要受约化场强的影响;随着约化场强的变化,电子能量损失于不同碰撞类型的比例不同,且在实验中常用的100～300 Td之间,电子能量主要损失于和N_2、O_2分子间的电子激发态碰撞和离解碰撞过程;对于空气和化学恰当比混合的空气/甲烷混合气介质阻挡放电,在放电结束后约1ms时,分别有约50%和126%的放电能量用于加热气体。

基于Boltzmann方程的TLEs电子分布特性研究

中高层大气瞬态发光事件(TLEs)是临近空间研究的热点课题,研究TLEs的辐射特性、扰动电子密度等问题的关键在于求解电子能量分布函数(EEDF)。文中基于玻尔兹曼方程数值模型,求解得到了TLEs中气体随时间变化的EEDF;结合唯一变量法,获得了求解过程中的时间步长(δt)、电子能量网格间隔(Δε)、约化电场(E/N)、大气压强(P)、大气温度(tgas)、麦克斯韦分布初始电子平均能量(tel)等对EEDF的影响及其规律;提出了如何在实际复杂环境、变化电场的情况下,利用Boltzmann方程数值模型,并运用这些规律来求解TLEs中气体EEDF,以得到更加准确的结果。

气压湿度对空气隙绝缘特性的影响研究

外界环境条件影响以空气为介质的电力设备外绝缘性能,为了研究空气放电的物理特性,文中基于Boltzmann方程研究空气中电子与分子碰撞的微观过程,计算分析气压、湿度对空气隙绝缘性能的影响规律。结果表明,温度为300 K,气压为1.0 atm(1 atm=101 kPa)时,空气相对湿度的升高会改变电子能量分布函数和电子输运参数。相对湿度每升高30%,电子平均能量下降约0.2 eV,约化电子迁移率下降约0.25×10^(23)(V∙m∙s)^(-1),约化电子扩散系数下降约0.2×10^(24)(m∙s)^(-1),空气相对湿度从0%升高到30%,临界击穿场强升高486 V/cm,空气相对湿度从30%升高到60%,临界击穿场强升高729 V/cm,空气隙绝缘性能增强;温度为300 K,相对湿度为0%时,气压每升高0.2 atm,临界击穿场强升高约6 kV/cm,空气隙绝缘性能增强。

负氢离子源中电子能量沉积三维数值模拟研究

本文理论计算了多峰离子源永磁体,采用二体碰撞模型(binary collision)处理电子之间的库仑碰撞,采用空碰撞(null-collision)方法处理电子与氢元素相关粒子,开发了全三维PIC-MCC模拟算法,并利用该算法模拟了多峰离子源中电子沉积过程,分析了多峰磁场对电子的空间和能量分布影响,结果显示:电子的非均匀分布起源于高能电子在引出区的B×▽B漂移.

负氢离子源中多峰磁场形态数值模拟

基于磁荷模型,在有限差分法基础上,推导了3维永磁体数值算法,结合全3维PIC/MCC粒子模拟算法,数值分析比较了外置型和"伞状"型两种特殊形态多峰磁场对电子能量沉积的影响。模拟结果表明:二者都能对粒子起到约束作用且能过滤引出负氢离子,同时二者电子能量分布规律基本一致,都呈现了双电子能态,符合等离子体放电基本机理;外置型过滤磁场对粒子的约束能力更强,能明显产生更多的粒子,总粒子数大约是"伞状"型过滤磁场情况下的4倍;"伞状"型过滤磁场能有效地抑制由磁场不均匀所引起的电子漂移,使产生的负氢离子空间分布更均匀。模拟结果与国外实验结果基本一致。

高温混合气体临界击穿场强的计算研究

针对高温混合气体临界击穿场强的计算问题,首先对所采用的零维模型进行了介绍,在此基础之上,对纯空气、空气与PA6蒸气的混合气体、空气与POM蒸气的混合气体在内的不同组分气体介质的临界击穿场强进行了计算,并对计算结果进行了理论上的分析。所涉及到的内容主要包括高温体粒子组分的获取,玻尔兹曼方程的近似求解和电子能量分布函数(EEDF)的计算,碰撞截面数据的选择,电子碰撞电离系数和吸附系数的计算。其中重点在于对波尔兹曼输运方程的近似求解和分析不同气体介质对临界击穿场强的影响。

电感耦合等离子体源的研究进展

在简要回顾传统高密度等离子体源的基础上,重点介绍了新一代的低温高密度等离子体——电感耦合等离子体源(ICP)的放电机理,并结合最近的研究进展,系统分析了ICP的性能影响因素,总结了ICP目前存在的问题,展望了其应用前景。

介质阻挡放电中氧原子的数值模拟

由于介质阻挡放电具有许多独特的性质,已被广泛地应用于等离子体化学、环境工程及材料表面处理等诸多领域。为了对其进行更好的研究与应用,笔者根据介质阻挡放电中的不同能量传递过程,建立了一个包括电子碰撞激发、离解、电离,吸附和解吸,复合以及中性粒子参与的反应等过程的N2-O2介质阻挡放电化学反应动力学模型,并通过求解Boltzmann方程,得到电子能量分布函数,进而通过计算获得了电子—分子碰撞的反应速率系数。代入速率方程,获得了系统中各组分粒子数浓度随时间的变化规律。结果表明:O、O3以及N2和O2分子激发态的粒子数浓度随时间先增加后减小,最后趋于一定值;O原子粒子数浓度受N2激发态分子的影响较大;O原子粒子数浓度随O2体积分数的降低而增加。

6~50 MHz射频容性耦合Ar等离子体的放电特性

通过光谱实验测量和PIC/MCC模拟,研究了6~50 MHz射频驱动下容性耦合氩等离子体的放电特性.固定气压为40 mTorr,气体流量为30 mL·min-1.结果表明,当频率和气压一定时,随着功率的增大,电子密度升高,电子温度降低;在气压和功率不变的情况下,随着频率的增加,电子温度升高,电子密度降低.通过模拟与实验对比发现,模拟结果与实验结果变化趋势较一致.电子能量分布函数均为双麦克斯韦分布,高能电子布居数随功率增大而减小,低能电子布居数随功率增大而增大.当功率恒定为60 W时,高能电子布居数不断增加,而低能电子布居数随频率的增加而减少,这可以解释电子温度随频率的增加而增加的原因.电场强度的时空分布表明,鞘层厚度随功率和频率的增加而减小.

SF_6/N_2和SF_6/CF_4混合气体放电参数计算分析

为研究SF_6混合气体的放电参数特性,文中通过两项近似求解Boltzmann方程得到温度为300 K,不同混合比下SF_6/N_2、SF_6/CF_4的电子能量分布函数(EEDF)、折合电离系数α/N、折合吸附系数η/N和折合有效电离系数(α-η)/N,与其他文献结果对比,验证了该计算方法与放电参数的有效性。结果表明:SF_6/N_2、SF_6/CF_4两种混合气体都随折合场强E/N增大时,在较低电子能量区域的EEDF减小而在较高电子能量区域的EEDF增大,且SF_6/N_2混合气体在电子能量为3 e V附近存在EEDF的骤降现象,该现象与N_2的碰撞参数截面有关,而SF_6/CF_4混合气体不存在此现象;此外,SF_6/N_2、SF_6/CF_4两种混合气体随着折合场强E/N增大,折合电离系数α/N显著增大、折合吸附系数η/N减小,最终折合有效电离反应系数(α-η)/N也均随之增加。

大气压纳秒脉冲裸电极放电的粒子模拟研究

大气压纳秒脉冲放电由于能量利用率高、可以生成多种活性粒子且容易形成均匀的放电等优势,在等离子体环境、医学等应用方面具有广阔的前景。为此借助于粒子模拟方法,研究了在裸电极条件下,纳秒脉冲放电的演化过程及放电机理。由于电极表面没有覆盖介质,在脉冲电压施加过程中,只能观察到一次放电,放电电流一般在电压下降沿开始时刻附近达到最大值。在电压上升沿及坪区阶段,鞘层电场持续增强,鞘层厚度逐渐变薄,电子能量概率分布函数存在明显的高能尾部,电子与离子数密度可以达到很高的数值;放电的熄灭主要是由于脉冲电压的下降造成的,即使在脉冲电压下降阶段,由于前面阶段放电剧烈鞘层电场非常强,碰撞电离依旧可以持续一定的时间。通过粒子模拟研究脉冲电压驱动的裸电极放电,并与相应的介质阻挡放电比较,有助于深化对纳秒脉冲激励的放电演化过程与内在机理的认识。

基于Boltzmann方程的CF3I二元混合气体替代SF6的可行性研究

SF6气体虽然绝缘性能优越但是极易液化,且是一种温室效应值很高的气体。CF3I气体是极具潜力的SF6替代气体之一,通过计算求解CF3I/N2、CF3I/CO2二元混合气体在0.1 MPa、300 K下的两项近似Boltzmann方程,得到不同二元混合气体的电子能量分布函数(EEDF)和临界折合击穿场强(E/N)cr,并通过计算混合气体的液化温度、协同效应系数来表征混合气体的混合比例与协同能力。结果表明:从物化特性分析,30%CF3I/70%N2二元混合气体最有可能替代SF6,而CF3I/CO2二元混合气体只适用于在约化电场强度小于300 Td且平均电子能量和电离度较低的情况下替代SF6;通过与其他文献的数据进行对比,验证了本研究中计算方法和数据的有效性。

基于Boltzmann方程的高温CO_2及其混合气体绝缘特性研究

CO_2是高压断路器中常用SF6的一种极具潜力的替代气体。文中分别计算了CO_2、CO_2-O_2、CO_2-N2、CO_2-CH_4和CO_2-H_2等混合气体在不同混合比例、压力和温度(300~4 000 K)下的临界击穿强度(E/N)cr。通过Gibbs最小自由能方法,计算了气体组分,挑选混合气体中的主要粒子。以计算出的粒子组分为输入参数,通过二阶近似的Boltzmann方程,获得不同条件下CO_2及其混合气体的临界击穿强度。计算结果表明,CO_2-O_2、CO_2-CH_4和CO_2-H_2会提升CO_2的临界击穿强度。文中获得了高温条件下CO_2及其混合气体的绝缘特性基础数据,为寻找SF6替代气体提供了理论依据。