使用电子回旋波共振等离子体源辅助中频磁控溅射沉积氧化铌薄膜

中频磁控溅射虽相较于电子束蒸发成膜质量更好,但不可避免仍然存在一部分颗粒物,将严重影响光学薄膜的质量和光学特性。研究了使用电子回旋波共振(ECWR)等离子体源作为辅助设备与中频磁控溅射相配合沉积的氧化铌薄膜,进行了等离子体诊断和薄膜表征。结果表明:在相同条件下,ECWR等离子体放电的氧化效果明显优于传统的感应耦合等离子体放电。ECWR等离子体源能够在较低压强的纯氧环境下稳定产生高密度等离子体,无须通过氩气作“引子”来激发维持氧气的稳定放电,展示了电子回旋波共振放电结构的优越性。沉积得到的非晶氧化铌薄膜光滑均匀且透射率达91%,能有效消除中频磁控溅射产生的颗粒物问题。通过透射率波峰位置对比发现纯氧ECWR放电样片出现红移,原因是其放电得到的薄膜均匀而致密,使光学禁带宽度向低能方向漂移出现带隙窄化。研究结果还揭示了离子源高密度、低能量特性与薄膜表面和光学特性之间的关系,为精密光学薄膜应用提供了新的解决方案。

回旋波共振加热加速的多重离子流体模型

在回旋波共振准线性理论基础上建立了自恰描述质子和氢离子各向异性温度和整体速度的双离子流体模型，求得数值解，并与UVCS观测相比较．发现在波谱斜率固定的假设下，模型的数值结果虽然与观测有相同趋势，但不能在误差范围之内解释全部观测现象．进一步的研究需要考虑波谱形状的自洽演化．

电子回旋共振波射频溅射系统设计

电子回旋共振波(ECWR)技术于20世纪70年代提出,是利用电磁波与电学各向异性材料(如带有外加静磁场的低压等离子体)的相互作用来产生等离子体的。ECWR技术有产生高密度等离子体、离子能量可控制在很窄的范围内、离子能量和离子流量可独立控制等优点,可有效控制薄膜的生长过程。本文以ECWR技术为背景,介绍了一种电子回旋共振波射频溅射镀膜系统的设计。

电子回旋共振波等离子体及其应用

电子回旋共振波等离子体是依靠特殊的电磁波与电学各向异性材料相互作用来实现的,它被证明是一种适用于改进传统真空镀膜工艺的高效技术。与传统辉光等离子体放电系统相比,电子回旋共振波系统的特点是产生高离子电流密度、能量分布集中的等离子体,能够实现半导体薄膜的低压高速沉积,具有离化率高、放电反应室内无电极、适合大面积薄膜沉积等优点。在实际实验及应用中常使用双电源驱动等离子体放电系统,利用电子回旋共振波原理进行等离子体放电,而使用另一个独立的射频(或者直流)电源系统来驱动等离子体束流的引出,在等离子体放电过程中可实现独立、精确控制离子电流密度和离子能量等参数,在半导体薄膜沉积、精密刻蚀、等离子体源等领域有着重要的应用。本文主要介绍了电子回旋共振波等离子体原理、特点,并结合实验与诊断方法朗缪尔探针等技术来展示其研究应用进展。

基于AKEBONO哨声波参数的内辐射带高能电子扩散模拟

为能准确地模拟内辐射带中哨声波对高能电子扩散损失的影响,基于内辐射带AKEBONO哨声波参数统计模型,及随纬度分布的背景冷等离子体密度模型,对引起电子扩散损失的大气分子,空间等离子体嘶声、闪电激发的哨声、人工激发的甚低频三类哨声波,利用准线性扩散理论,计算1.4≤L≤2.0区域的不同能量电子,受到库仑碰撞和波粒回旋共振相互作用的弹跳周期平均赤道投掷角扩散系数,分析不同作用机制、不同类哨声波、不同能量、不同磁壳参数等对辐射带高能电子扩散损失的影响.结果表明:在赤道面损失锥角附近,高能电子主要受到库仑碰撞作用而扩散;在赤道投掷角接近90°附近区域,等离子体嘶声和闪电激发的哨声是引起扩散的主要因素;内辐射带电子主要受到甚低频电磁波波粒回旋共振扩散影响;扩散系数对高能电子能量及其所处磁壳参数比较敏感,通常,高能电子的能量或所处磁壳参数越大,扩散系数越大.

太阳风质子束流的演化

太阳神飞船观测表明,太阳风高速流中质子束分量相对于核分量的密度随日心距离增加而增加。提出解释这一观测现象的机理并给出二维数值模拟结果。由于阿尔芬波速随日心距离增加而减少,第二支左旋波将与更多的质子共振,把部分原来属于核分布的质子拉到束分布中来。用数值模拟方程方法求解回旋波共振导致的准线性扩散方程,数值结果与观测结果相符合。

ECWR系统等离子体参数的诊断研究

电子回旋波共振(ECWR)技术是利用电磁波与电学各向异性材料(如带有外加静磁场的低压等离子体)的相互作用来实现的,该技术可在低压力下产生高密度等离子体,广泛用于微电子刻蚀、薄膜材料沉积等加工过程。等离子体的参数对刻蚀速率、表面成膜质量有着至关重要的影响,因此进行等离子体参数的测量研究能够促进电子回旋波共振技术的发展与应用。本文设计了朗缪尔探针检测装置,使用OES光谱检测仪对ECWR设备放电时的等离子体参数进行检测,并对检测结果进行了分析。结果表明,当直流电流强度为4.1A时,系统内部发生了电子回旋共振效应。

智利地震前DEMETER卫星对空间高能粒子的观测

在地震的孕育或发生期间,地球内部岩石圈的活动可能会发出电磁辐射,引起空间电磁扰动,并通过波粒相互作用引起高能电子的投掷角散射,导致高能电子的沉降.本文基于法国DEMETER卫星的观测数据,研究了智利周围区域在智利地震期间空间高能电子的通量、能谱的分布及演化,发现在智利地震发生前第11天和12天,在以震中为中心,经度跨度10°,在DEMETER卫星轨道高度上L跨度0.1的区域内,有超出背景4到6倍的高能带电粒子暴的出现,期间在其北半球磁镜像区域也观测到了显著的电子通量涨高.粒子暴对应的能谱与2010年前三个月的平均能谱存在较大差异.同时观测到在出现粒子暴的两条轨道上VLF(Very Low Frequency,甚低频)电场频谱分别在300Hz以下以及13～20kHz的频段存在显著增强,此扰动在时间和地理位置上与高能粒子暴是一致的.基于回旋共振耦合作用的准线性扩散理论,本文对所观测事例的电子能量与电磁场扰动频率做了分析计算.观测数据和理论计算有较好的一致性,表明该粒子暴源自ICE(Instrument Champ Electrique,电磁探测器)观测到的空间电磁扰动,这是典型的空间波粒耦合事例.进一步分析排除了可能引起粒子暴和VLF电场扰动的环境因素,本文认为本次粒子暴和电场扰动的观测可能与智利地震的震前地壳活动存在一定关联.

基于LabVIEW的朗缪尔单探针数据处理系统

朗缪尔单探针处理系统是使用单探针对符合麦克斯韦电子分布的等离子体放电进行测量诊断的基于LabVIEW运行的处理软件。该系统通过格拉布斯准则实现了对大误差数据的剔除。使用Savitzky-Golay滤波器对V-I曲线进行平滑处理,在将离子流排除后,对过渡区曲线进行处理与计算,得到等离子体放电相关参数。使用该套处理系统能够快捷准确地将繁杂的探针数据处理工作变得更为简单,为朗缪尔探针的实际应用提供了基础。使用该套探针处理系统处理了电子回旋共振波等离子体放电随功率变化的V-I曲线并得到准确的结果。

大螺旋形装置上有关NBI和ICRF加热的等离子体的实验研究

大螺旋形装置（LHD）上，自从上次EPS会议以来关键硬件系统的升级导致（1）Te较高<ne>=5.3×10^18m^-3和Pabs=1.8MW时Tc(0)=4.4keV)；（2）约束增强（<ne>)=6.5×10^19m^-3和Pabs=2.0MW时τE=0.3s，Tc(0)=1.1keV)；（3）贮能较高Wp^dia=880kJ；（4）在螺旋装置上β值最大（B=1.3T时为2.4%）。能量约束系统地高于国际仿星器定标95预计的1.6倍。在无明显杂质污染的情况下，高达1.3MW的离子回旋波（ICRF）功率可靠地注入到等离子体中，贮能为200kJ的等离子体仅由ICRF就能维持5s。只用ICRF功率和只用中性束注入（NBI）功率已成功地实现了持续时间长达1min以上的长脉冲放电。2.75T时用0.5MW的NBI加热功率实现了80s的放电。通过控制喷气电子密度维持在约1.6×10^19m^-3。中心电子和离子温度维持在约1.5keV。用0.85MW的ICRF加热功率，实现了持续68s的类似的长脉冲放电。维持的等离子体参数为:Wp≈110kJ,Tc(0)≈Ti(0）=2.0keV和<nc>=1.0×10^19m^-3。在这些放电期间，没有观察到辐射功率上升。

准线性扩散系数与空间高能电子特征物理量的关系研究

研究已经证实,地面电磁波进入电离层与高能粒子发生波粒相互作用,通过改变其投掷角、动量等发生扩散,导致粒子沉降,进而形成粒子暴.近几十年来,从卫星观测到很多电离层中的粒子暴与地震有关系.本文利用波粒回旋共振耦合理论,结合低轨卫星的观测范围,研究场向电磁波的准线性投掷角扩散系数分布与VLF电磁波频率、带宽、电子能量(0.1—50 MeV)、磁壳层(L=1.1—3)等特征物理量的关系,并研究在某个确定的投掷角条件下,电磁波频率与其所引发的电子沉降对应的最小耦合能量的关系.利用这些物理量之间的关系,为卫星观测的高能粒子沉降事例提供理论解释,为从卫星高能粒子探测中提取与地震相关的信息提供理论支持,也为我国计划2016年底将发射的电磁监测试验卫星的数据分析奠定基础.