弱碰撞等離子體中金屬柵網附近穩(wěn)態(tài)和預鞘的實驗診斷與數值模擬.pdf

1、等離子體鞘層是等離子體物理中最古老的問題之一，也是等離子體物理中最重要的基本問題之一，不僅在等離子體基礎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域中也有實際應用。鞘層的基本理論目前已經比較完善了，但鞘層的實驗診斷工作開展的并不多，且前人的鞘層實驗診斷工作，主要針對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。而在實驗室等離子體中，部分吸收的電極(如金屬柵網、球形電極)常被用于控制等離子體參數或激發(fā)各種離子

2、波動模式，且激發(fā)出的等離子體集體波動模式及其特性受柵網結構影響很大。因此，在實驗上對負偏壓的金屬柵網形成的穩(wěn)態(tài)離子鞘進行診斷，探索不同條件下柵網附近鞘層結構的特性，在等離子體基礎研究中具有重要的意義。
　　 本文從實驗上研究了在改進型雙等離子體裝置中負偏壓的金屬柵網附近的鞘和預鞘結構特點，比較了柵網和金屬平板形成的穩(wěn)態(tài)離子鞘鞘層結構的異同，還比較了柵網的疏密對穩(wěn)態(tài)離子鞘鞘層結構的影響，并利用數值模擬手段研究了金屬柵網附近的鞘層結

3、構。
　　 首先，負偏壓的柵網對其周圍的等離子體狀態(tài)有明顯影響。在靠近小柵網的區(qū)域內，利用Langmuir探針測得的電子溫度明顯上升，等離子體密度下降趨勢也更加明顯，這一明顯受影響的區(qū)域的尺度和離子的平均自由程長度相當，因此可以認為這一區(qū)域為金屬柵網的預鞘區(qū)。實驗上也可以利用這一變化特點來確定主等離子體和預鞘的邊界。
　　 還利用發(fā)射探針仔細測量了負偏壓金屬柵網附近穩(wěn)態(tài)離子鞘和預鞘的電勢分布。實驗測量結果和穩(wěn)態(tài)離子鞘的理

4、論模型符合得很好。實驗還發(fā)現，弱碰撞等離子體中柵網的穩(wěn)態(tài)離子鞘存在一個過渡區(qū)，過渡區(qū)的長度和部分文獻中的模型估算一致。
　　 其次，我們利用發(fā)射探針仔細測量了負偏壓金屬柵網和金屬平板附近的穩(wěn)態(tài)離子鞘和預鞘的電勢分布。實驗結果表明，金屬柵網和金屬平板的鞘內電勢分布隨空間位置的變化趨勢是一致的，但是金屬柵網的鞘厚明顯小于金屬平板，柵網附近的鞘內平均電場也更大，其原因可能如下。金屬平板可以視為全吸收的邊界，離子運動到平板表面即被平板吸

5、收，而柵網的結構和平板不同，對離子是部分透射的，在柵網一側的離子有一定概率可以穿過柵網，進入另一側的鞘層，這也就導致鞘內的離子密度升高，電場變大。
　　 再次，金屬柵網的疏密程度對鞘層結構的影響也很明顯，柵網越疏，其附近的離子鞘越薄。實驗還發(fā)現，在鞘層外圍及預鞘區(qū)域內，看不出柵網疏密對鞘層結構的影響，實驗測得的鞘和預鞘邊界的電場值和理論值接近，且不隨柵網的疏密改變而變化。
　　 最后，我們建立了柵網鞘層的無碰撞二維流體模

6、型，用有限差分法求解了負偏壓柵網的穩(wěn)態(tài)離子鞘。數值計算的結果和實驗測量所得的結果在變化趨勢上一致，且對柵網的鞘層結構有進一步的解釋，在很大程度上彌補了實驗診斷的局限性。數值模擬的主要有兩點結論:首先，由于柵網是部分透射的，離子在柵網的空隙中和柵網表面附近將發(fā)生積聚，導致柵網表面附近的等效電勢比柵網所加負偏壓高，而金屬平板的表面電勢和其負偏壓相等，因此柵網附近的鞘層要比全吸收的金屬平板的鞘層薄一些。其次，隨著柵網幾何透過率的增大，離子在柵