重粒子碰撞过程理论研究

应用全量子的分子轨道强耦合方法和经典径迹蒙特卡罗方法计算从低能到高能的离子与原子和分子碰撞反应截面和速率系数。在分子轨道强耦合计算中 ,采用从头计算法得到的绝热分子势能面和径向、转动耦合矩阵元 ,经过幺正变换后 ,求解强耦合方程组。本文以Si3 + 离子与氢原子碰撞过程为例 ,计算了重粒子碰撞过程中发生的电荷转移、碰撞电离和碰撞激发截面和速率系数 。

不同频率驱动下容性耦合Ar等离子体随气压变化的放电特性

讨论了在驱动频率分别为13.56MHz、40.68MHz、94.92MHz和100MHz,功率为40W,气压由3.3~26.6Pa下的容性耦合Ar等离子体的放电特性。利用光谱相对强度法分别诊断了电子激发温度和电子密度。采用粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模型(PIC/MCC),模拟了上述实验条件下中心处电子密度和电子能量概率分布(EEPF)。结果表明,在每一个驱动频率下,电子密度均随放电气压的增加而增加,而电子温度则随气压增加而降低。驱动频率为13.56MHz和40.68MHz的电子密度随气压变化趋势几乎一致,而94.92MHz和100MHz的电子温度则随气压变化趋势几乎一致。通过比较EEPF,电子温度随气压的增加有下降的趋势,与光谱诊断结果基本吻合。

直流气体放电过程中的离子分子碰撞模型

气体放电是高压设备绝缘击穿的一种常见现象,为了研究正离子能量及行为对气体放电过程的影响,采用微观粒子法在计算机上模拟了平板电极下,极间电压为500V时,短间隙击穿过程中的正离子运动。数值计算的过程中考虑了离子与分子间的弹性碰撞及电荷交换碰撞对离子运动的修正作用,采用了与能量相关的碰撞截面,跟踪正离子直至其运动到达阴极表面。基于此方法获得了空间电荷密度、带电粒子数与电场强度等宏观物理量。计算结果表明:直流放电过程中,正离子碰撞阴极是放电得以维持的必要条件;正离子运动缓慢形成的空间电荷畸变了电场,促进了碰撞电离,有利于放电的持续进行,同时离子碰撞加剧将减弱γ过程,使放电无法自持。

离子推力器羽流特性的粒子模拟

采用粒子网格单元和蒙特卡罗碰撞方法,建立了离子推力器羽流场的2维轴对称模型,对其特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比分析。研究结果表明:数值模拟结果与实验测量值基本一致,模型可以很好地评估离子推力器的羽流特性;返流区离子数密度达到1014m-3量级,会对航天器表面产生污染;背压对束流区域外电荷交换离子影响较为显著,不可忽略。

离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀的粒子模拟

为研究离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀速的特征及影响规律,采用单元内粒子——蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法,结合溅射腐蚀模型,模拟了栅极间束流离子及交换电荷(CEX)离子的分布情况,得到离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀情况及平均腐蚀率,为0.0176μm/h。进一步研究了工作参数和几何参数对其影响,并建立了适用于工程应用的加速栅极孔扩大腐蚀预测模型。结果表明,在影响孔扩大腐蚀率各种因素中,束流电流密度和中性气体密度的影响最大。因此,在离子发动机直径一定的情况下,提高放电室出口等离子体密度的均匀性及推进剂利用率,是提高栅极寿命的根本途径。

氩气直流放电过程电子行为的粒子模拟

气体放电初始过程是一不平衡的物理过程,为了验证空间电荷对气体放电的影响,建立一种粒子模拟(PIC)与蒙特卡洛(MCC)方法相结合、用来模拟放电初始阶段电子行为的微观模型.分析了气压为67 Pa、极间距离为64 mm、气体温度为300 K、极间电压为直流500 V时的气体放电过程.通过计算机跟踪大量电子运动得到宏观参数.通过仿真很好地解释在气体击穿初期,低能量电子被电极吸收及在电场加速作用下电子能量倍增产生激烈碰撞电离的过程.

气压对于低气压双频容性耦合Ar/O2等离子体放电特性影响的研究

研究了气压对双射频氩氧混合等离子体电子温度和电子密度的影响。在13.56MHz低频功率和94.92MHz高频功率固定为60W和氩氧气体比为1:9的情况下,利用发射光谱法分析了气压不同时氩氧混合等离子体的放电光谱中的特征谱线的变化规律。使用一维质点网格法(PIC-MC)静电模型计算了电子温度和电子密度。结果表明:电子温度随着气压的增加先降低后升高,与实验结果趋势相吻合;电子密度随着气压的增加先增大后减小。

三电极气体火花开关触发过程中的等离子体行为特性

三电极气体火花开关放电导通时的触发过程对其性能有着重要影响,而实验中发现某些三电极气体火花开关在触发过程中可能存在触发极与阴极和阳极几乎同时导通的问题,为了解释这种现象,利用PIC-MCC（网格粒子法耦合蒙特卡罗碰撞）程序建立了对应的三电极气体火花开关触发过程仿真模型,获得了电子、离子在触发过程中的时空分布演化特性及电场分布特性,阐明了触发过程中触发极与阴极、触发极与阳极形成等离子体通道的物理机理,分析了电场分布和绝缘体表面电荷累积效应等对触发过程中等离子体通道形成的影响,揭示了绝缘体表面二次电子发射等是导致触发极与阴极、触发极与阳极几乎同时形成等离子体通道的关键因素。这些都为进一步深入研究三电极气体火花开关,提高其工作性能奠定了坚实的基础。

ICP刻蚀中等离子体分布的模拟

采用直接蒙特卡罗方法对反应器中的气体分布进行粒子模拟,从而得到在不同条件下的一组结果,给出了粒子浓度和温度与腔体尺寸的关系图。并对结果作出分析比较,得出不同的条件对粒子浓度以及温度等产生影响,结果对ICP刻蚀的工艺控制有参考价值。

双级加速离子光学系统几何参数研究

针对双级加速离子光学系统的设计,开展了栅极几何参数对离子光学系统性能影响的研究。采用质点网格法和蒙特卡罗碰撞法开展栅极关键几何参数对束流引出能力、束流发散角、交换电荷(CEX)离子的截获影响规律研究;另外,还开展了不同比冲下束流发散角、碰撞交换电荷离子的变化趋势研究。研究结果表明,屏栅孔径对束流引出能力、束流发散角、CEX离子截获电流以及鞍点电势都有影响,随着屏栅孔径的增加,束流引出能力、束流发散角和鞍点电势呈上升趋势。加速栅孔径的变化对CEX离子得能量分布有影响,随着加速栅孔径的增大,截获的高能CEX离子逐渐减少,而随着加速栅厚度的增加,束流发散角、CEX离子的截获数量和能量呈上升趋势。在8000s比冲下,加速级间距的改变对束流引出能力影响较小。另外,比冲对离子光学系统性能也有影响,比冲越高,束流发散角越小,且加速栅截获的CEX离子也越少。