微波表面波等离子天线的电磁仿真

针对天线阵列激发电磁场的特性,通过矩形波导上使用槽天线来激发表面波等离子体(SWP)的方式构建了三维模型,并在HFSS软件上进行了仿真测试。仿真结果证实,槽天线由矩形波导转换的圆形波导传输,波导的长度和槽的数量都会影响微波能量耦合。在优化的天线结构中,谐振器中的电场强度比未优化的天线结构中的电场强度高一到两个数量级,并且具有更好的空间均匀性。验证了理论与仿真结果的一致性,先前的实验结果也可以部分验证仿真的正确性。总之,新的天线阵列可以帮助形成柱等离子体并增强其均匀性。

He-Ar潘宁过程对表面波等离子体的影响

潘宁过程可以有效地降低直流、低频放电中的放电起始电压。关于射频放电,特别是表面波等离子体中的潘宁过程的研究,目前还很少有报道。本文介绍了一种由Ro-box装置激发的SWP源,通过实验方式研究了此装置产生的表面波等离子体柱中的He-Ar潘宁过程对其物理性质的影响。结果表明,合适配比的潘宁气体对于表面波等离子体柱特性有很大影响,它可以有效地降低放电起始功率和放电维持功率,延长等离子体柱长度,提高等离子体密度等;在此过程中电子温度略降低。本研究为在表面波等离子体应用中获取合适的等离子体参量提供了新的途径。

He-Ar潘宁过程对表面波等离子体柱功率的影响

由单极驱动的表面波等离子体(Surface-wave-sustained plasma,SWP)是近年发展起来的一种低气压、高密度等离子体,这种技术非常适用于等离子体天线等领域。本文介绍了一种简易实用的SWP源,研究了He-Ar组成的潘宁气体对于表面波等离子体柱的放电起始功率及维持功率的影响。测试了不同潘宁气体配比时的等离子体密度和等离子体温度。研究结果表明,应用合适配比的潘宁气体对于等离子体特性有很大影响,它可以有效地降低放电起始功率和放电维持功率,提高等离子体密度,等离子体温度略降低。

可激发等离子体表面波的离子交换单模条波导

设计并制备了离子交换单模条波导,用于激发等离子体表面波。研究了波导设计过程中相关参数的确定方法、条波导制备过程涉及的二维扩散问题,折射率分布以及等离子体表面波的激发等。基于Ag+-Na+离子交换技术在德国B270光学玻璃上制备出渐变型平面波导,采用余误差函数拟合其折射率分布,得到了一定工艺参数下的光波导扩散系数Deff与折射率增量值Δn。在此基础上,利用等效折射率法给出单模波导条件,设计相应的工艺参数,以光刻技术为核心在0.1%AgNO3～99.9%NaNO3混合熔融盐中实验制备了单模条波导,并进行模场分布测试。结果表明,制得的单模条波导具有良好的单模特性;在此波导上镀50nm的金膜,采用40%～70%的甘油溶液进行测试,可激发等离子体表面波。

新型表面波等离子体源的诊断及不同工艺条件下的等离子体特性

表面波等离子体(Surface-wave-sustained plasma,SWP)是近年发展起来的一种新型低压、高密度等离子体。应用这种技术,很容易实现镀膜过程中的离子束辅助沉积(IBAD),从而制备出性能优异的类金刚石薄膜(DLC)。本文介绍了一种新型的SWP源,说明了朗缪尔探针等离子体诊断的基本原理,研究了微波功率、靶电压、真空度等对等离子体特性的影响。测试了不同工艺条件下的等离子体密度,电子温度,等离子体电位,悬浮电位。研究结果表明,微波功率、靶电压和真空度等参数对等离子体特性具有重要的影响。结果同时表明,这种表面波等离子体源即使在0.85 Pa的真空度下也能够产生高达1.87×1011cm-3的电子密度(在2.8 Pa可达2.1×1012cm-3)。

表面波等离子体柱导电性及其激发系统方案

表面波等离子体柱可用于具有隐身性能的等离子体天线,而提高低频激励表面波等离子体柱的导电性能是一个难题。该文通过分析等离子体密度与功率的平衡关系,导出了单极表面波激励弱电离等离子体柱电导率与激励功率和频率的关系,利用数字频率合成技术和功率增益自动控制技术稳定激励功率和频率,以达到提高等离子体柱导电性能的目的。通过实验研究了等离子体柱电导率与等离子体密度和柱体长度的关系。该方案可有效提高等离子体柱导电性及系统整体性能,对等离子体天线研究具有参考价值。

表面波等离子体沉积类金刚石膜结构的Raman光谱和XPS分析

本文使用Raman光谱和X 射线光电子能谱 (XPS)的分析方法对表面波等离子体沉积的类金刚石(DLC)薄膜的结构进行了研究。采用 4峰的高斯解谱的方法对不同沉积时间的膜的Raman谱进行处理 ,并由此对膜中sp3键的百分含量PD 进行了定量计算 ;同时还采用 3峰的高斯解谱方法对不同沉积时间的膜的光电子能谱进行处理 ,也对膜中sp3键的百分含量进行了计算。两种方法均得到膜中sp3含量在 2 0 %～ 4 0 %之间 ,且随沉积时间的增加而增加。

临近空间表面波等离子体减阻性能分析

为研究临近空间表面波等离子体减阻效果,基于流体宏观模型的基本特征,分析了表面波等离子体流动控制机理的基础,以飞艇为模型,对其在0°攻角情况下的流场进行仿真计算,比较了不同激励器控制方案的减阻效果,研究了飞艇尾部区域的等离子体流动控制效果.结果表明,表面波等离子体具有增加飞艇升力、减小飞艇阻力的效果;单侧控制方案最大减阻效果达7%左右,对称控制方案减阻效果明显优于单侧控制方案,最大减阻效果可达32%左右;表面波等离子体对飞艇尾部的流动分离具有很好的消除抑制作用.

微波霍尔推力器表面波等离子体源的实验研究

在微波霍尔推力器中,微波通过窗口耦合到霍尔加速通道,在通道底部介质板附近产生表面波等离子体以抑制振荡。表面波等离子体能否顺利产生将直接影响推力器本身的性能,为此,开展微波霍尔推力器表面波等离子体源的真空实验研究。在不同微波输出功率条件下,分别以氪、氩气为工质,以陶瓷和石英材料为介质板,通过改变流量,得到了表面波等离子体的产生规律。采用朗缪尔探针,实验诊断了介质板附近的表面波等离子体密度。实验结果表明:和陶瓷介质板相比,石英介质板对微波的损耗低,表面波更容易稳定产生;朗缪尔探针的诊断结果表明,石英介质板附近等离子体的电子密度高于对应的临界电子密度,证明本实验等离子体为表面波等离子体。

高限制等离子体表面波槽形结构

基于等离子体表面波的物理机理,提出一种具有高限制因子的二维亚波长槽形结构.该结构能在二维上都限制在亚波长尺寸,其能量主要限制在芯区中,当芯区横截面尺寸为200nm×800nm,能量限制因子高达98.5%,横向模式尺寸近似于芯区宽度;当金属墙厚度大于截止厚度,横向模式尺寸能够达到深亚波长尺寸.该结构的基模分量Ex限制在芯区中,而分量Ey只在矩形介质芯区四个与金属接触的直角处被激励,并且关于x轴、y轴具有反对称性.

表面波等离子体防护高功率微波

高功率微波武器的快速发展，对军用电子设备构成了极大威胁。文章在分析用传统防护手段防护高功率微波方面所具有的缺陷的基础上，提出用表面坡等离子体技术防护高功率微波，并对表面波等离子体防护装置进行了描述，详细阐述了该装置的防护原理，总结了该防护技术在现实防护中的优点。

基于渐变结构的矩形腔表面波等离子体源仿真和设计

目前,大尺寸矩形腔表面波等离子体源的设计中,利用缝隙辐射器耦合微波能量时,绝大部分都是在波导的宽边开缝,这在一定程度上限制了电场均匀性的进一步提高。本文提出了一种基于渐变结构的缝隙辐射器设计,即扩展波导宽边同时压缩窄边形成具有稳定模式的宽边更宽窄边更窄的结构。设计了加载短路面的缝隙阵列耦合结构并利用时域有限差分(FDTD)方法计算了电子密度为1.79×10^(18)m^(-3)、碰撞频率为3×10~8Hz时石英-等离子体分界面上电场幅度分布,并与传统波导开缝结构对比,实现了电场均匀性的有效提升,并得到了稳定的表面波模式。

基于光表面等离子波共振的矿井瓦斯检测技术研究

针对矿井瓦斯检测中存在的问题,采用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法检测技术,结合Ag/SnO2金属复合薄膜与瓦斯气体接触后发生气敏化学反应,将引起SnO2薄膜的折射率发生变化和等离子表面波共振角移动的性质,提出了一种新的瓦斯检测方法。该方法利用白光光源在覆有选择性气体吸附复合薄膜的表面激发表面等离子波,用单芯光纤耦合的反射式光束偏转法对所激发表面等离子波信息进行采集,并准确检测出环境中甲烷气体的体积分数;用最小二乘法对数据进行拟合,提高了检测精度。由仿真曲线证明,本瓦斯检测方法为瓦斯监测方法提供了一种新途径。

基于修正的长程表面等离子体波的折射率检测研究

为发挥长程表面等离子体波共振峰宽度小,共振曲线斜率大,降低共振角位置不确定性的优点,解决其严格对称结构难于传感的问题,文中在理论分析介质-金属薄膜-介质结构模型的色散和反射特性的基础上,实验研究棱镜耦合激发该结构中的修正的长程表面等离子体波用于传感,改变实验中的结构参数,检测含水率10.8%~38.8%的蜂蜜。结果表明:其共振峰宽度变窄,介质膜厚、金属膜厚等参数对衰减峰及其宽度和衰减深度等参量都会产生影响,检测的入射角与折射率的线性相关系数为0.993 2,可较好地实现传感。

微波放电等离子体点火与助燃研究进展

微波放电等离子体作为一类低温非平衡等离子体,具有密度大、活性高、温度低及工作气压范围广等优良性能,因而在航空航天发动机点火与助燃领域具有广阔的应用前景。该新兴技术现已成功实现点火,实验证实其关键技术在于放电腔以及启动器的优化设计。重点介绍了国内外微波放电等离子体点火与助燃技术的相关研究与发展;并根据已有研究基础,提出了国内微波放电等离子体在航空航天发动机点火与助燃领域的研究方向和发展思路;同时,总结了各单位独特的方案设计,可为今后进一步的研究探索提供重要的参考和依据。

新型等离子体源及其应用

为适应半导体技术的快速发展,需要寻求一些新的等离子体源。介绍了两种比较新颖的等离子体源———表面波等离子体(SWP,surface wave plasma)和磁中性环路放电等离子体(NLD,mag-netic neutral loop discharge)。前者的设备没有磁场,且结构简单,工作温度低,易于大面积化;而后者的设备可以通过改变其中性环路直径方便地产生各种形状的等离子体,可用于高深宽比刻蚀,也可用于大面积刻蚀。与传统等离子体源相比,它们具有明显的优势,有望成为下一代等离子体源。

大面积表面波等离子体的特性研究

介绍一种矩形反应腔体结构的表面波等离子体源,通过对垫层介质及天线结构的优化设计,产生了大面积均匀的等离子体.采用静电探针测量了等离子体参数(密度,电子温度)在不同运行条件(气压,功率)下的空间分布;采用扩散模型,数值模拟了等离子体密度在垂直方向上的空间分布,并比较好地解释了实验测量结果.

大面积表面波等离子体源微波功率吸收的数值模拟研究

建立了大面积矩形表面波等离子体(SWP)源全尺寸的三维模型,用数值模拟的方法研究了SWP源基于碰撞的功率吸收问题,给出了随等离子体参数变化的微波反射率曲线,分析了不同天线对微波功率沉积的影响,并讨论了微波功率吸收和表面波的定性关系.结果发现,均匀放电的SWP源功率沉积本质是由表面波等离子体的性质决定的,等离子体密度太大或太小都不利于功率吸收.在正常工作气压下,SWP源通过碰撞机理即可以实现微波功率的有效沉积,微波吸收率可达80%以上,与已有实验相符.本研究同时发现,天线阵列激发的表面波模式越紧凑,强度越大,越有利于微波的吸收.

气体压强及表面等离激元影响表面波等离子体电离发展过程的粒子模拟

基于表面等离激元(SPP)的表面波等离子体(SWP)源,具有高密度、低温度及高产率等优异性能,其应用在电子器件微纳加工、材料改性等领域.但由于SPP激励SWP放电的电离过程难于用理论分析和实验测量描述,因而SWP源均匀稳定产生的电离发展过程一直未研究清晰.本文以SWP放电的数值模拟为研究手段,采用等离子体与电磁波相互作用的粒子模拟(PIC)方法,结合蒙特卡罗碰撞(MCC)方法处理碰撞效应的优势,研究气体压强影响电离过程的电磁能量耦合机理.模拟结果表明SWP的高效产生是SPP的局域增强电场致使,气体压强能够改变波模共振转换的出现时刻而影响了SWP的电离发展过程.本文的研究成果展示了SPP维持SWP放电的电离过程,可为下一代米级SWP源的参数优化提供设计建议.

装置参数对狭缝天线激发的等离子体表面波传播的影响

采用时域有限差分法对矩形结构装置的等离子体表面波传播进行了三维数值模拟.研究了装置参数(如介质板相对介电常数、厚度以及介质板上方空气间隙)对天线阵列激发的等离子体表面波传播的影响,给出了合适的介质板相对介电常数和厚度,并指出空气间隙的存在会严重削弱天线阵列对表面波的激发.计算结果可为大面积矩形表面波等离子体源装置的优化设计提供参考.