N2-Ar管子型空心阴极放电表面氮化空间等离子特性模拟研究

论文摘要

N2及N2-Ar空心阴极放电中产生的氮活性粒子（N+、N2+、N）,可用于氮化物薄膜制备、金属表面氮化等。金属表面氮化涂层技术一般希望得到径向流密度较高的氮活性粒子。在深入研究N2空心阴极放电机制与放电参数关系的同时,通过在氮气中掺入其它种类气体,可以改善氮气放电的特性,提高氮粒子的活性。N2及N2-Ar空心阴极放电有重要的研究意义,例如：金属材料掺氮后它的硬度会增强,这在机械行业较为关心。本文开发了N2-Ar混合气体空心阴极放电的PIC/MCC的混合模型,在模型中考虑了带电粒子（e、N+、N2+、Ar+）与基态中性分子（N2、Ar）的24种反应过程。模拟了N2及N2-Ar空心阴极放电的物理过程,其中带电粒子在电场中运动以及产生的自洽电场由PIC方法模拟,粒子的碰撞过程则由MCC方法模拟,并应用Fortran语言编写了程序。本文在一定程度上揭示了氮气掺氩的空心阴极放电机理,研究结果如下：1.模拟了N2管子型空心阴极放电表面氮化涂层的空间等离子体特性。其中研究了管内粒子数密度、离子平均能量、离子径向流密度、离子轰击阴极的能量分布函数、电子碰撞率、氮活性粒子（N+,N,N2+）产生率的的分布情况。2.模拟了放电参数及几何线度对空心阴极放电管子内表面氮化的影响。其中研究了放电参数（V、P）对径向电场、径向流密度分布的影响和几何线度对空心阴极效应的影响。3.模拟了掺Ar对N2空心阴极放电表面氮化涂层的影响。其中研究了掺Ar后对放电空间粒子数密度、离子平均能量、离子径向流密度的影响。N2-Ar空心阴极混合气体放电,物理过程比较复杂并且受放电参数、几何线度、掺氩比例影响。对等离子体材表面涂层有指导意义。本文对空心阴极放电等离子体研究提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 等离子体概述
• 1.2 空心阴极放电
• 1.3 空心阴极放电内表面涂层技术
• 1.4 研究背景
• 1.5 本文创新性
• 2 PIC/MCC模型介绍
• 2.1 放电几何及模拟流程图
• 2.2 粒子初始状态安置及权重分配方法
• 2.3 解泊松方程并求解粒子受力
• 2.4 粒子推动方法
• 2.5 碰撞判断及粒子数控制
• 2.6 碰撞类型及碰撞截面
• 2管子型空心阴极放电表面氮化涂层的空间等离子体特性'>3 N₂管子型空心阴极放电表面氮化涂层的空间等离子体特性
• +、N₂⁺）数密度二维空间分布'>3.1 管内粒子（e、N⁺、N₂⁺）数密度二维空间分布
• +、N₂⁺）平均能量二维空间分布'>3.2 管内离子（N⁺、N₂⁺）平均能量二维空间分布
• +、N₂⁺）径向流密度二维空间分布'>3.3 管内离子（N⁺、N₂⁺）径向流密度二维空间分布
• +、N₂⁺）的能量分布函数'>3.4 管壁处离子（N⁺、N₂⁺）的能量分布函数
• 3.5 电子碰撞率
• +,N,N₂⁺）产生率'>3.6 氮活性粒子（N⁺,N,N₂⁺）产生率
• 3.7 本章小结
• 4 放电参数及几何线度对空心阴极放电管子内表面氮化涂层的影响
• 4.1 径向电场受放电参数（V、P）的影响
• +、N₂⁺）在管壁上的径向流密度分布受放电参数（V、P）的影响'>4.2 离子（N⁺、N₂⁺）在管壁上的径向流密度分布受放电参数（V、P）的影响
• 4.3 几何线度对空心阴极效应的影响
• 4.4 本章小结
• 2空心阴极放电表面氮化涂层的影响'>5 掺Ar对N₂空心阴极放电表面氮化涂层的影响
• +、N₂⁺）数密度的影响'>5.1 掺Ar对放电空间粒子（e、N⁺、N₂⁺）数密度的影响
• +、N₂⁺）平均能量的影响'>5.2 掺Ar对放电空间离子（N⁺、N₂⁺）平均能量的影响
• +、N₂⁺）径向流密度的影响'>5.3 掺Ar对管内离子（N⁺、N₂⁺）径向流密度的影响
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 参考文献
• 致谢