空心阴极放电特性的研究

论文摘要

空心阴极放电是一种既不同于正常辉光放电又不同于反常辉光放电的特殊放电形式,它以其特殊的阴极结构而得名。由于其特有的各项性质,使其在薄膜制备、电光源、显示器件等各个领域中有着广泛的应用。本文通过流体模拟和探针诊断等方法分别从理论上和实验的角度上对空心阴极的放电特性进行了研究。数值模拟方法作为一种研究等离子体这种复杂系统的有效手段,正日益受到研究者的关注。本文采用二维流体模型对空心阴极放电进行了数值模拟,得到放电稳定状态下的电势分布、电子和离子的密度分布以及电子平均能量分布。利用模拟结果,研究了在气压为0.25～1Torr,电压为150～300 V,阴极孔径在0.3～0.75cm的范围内氩气空心阴极放电的特点。结果表明,放电中存在空心阴极效应;放电中的等离子体区域主要分布在管型空心阴极的两端;电子平均能量沿管的径向增强,在负辉区电子能量为10eV左右,靠近阴极处则可能达到三十个电子伏;且改变放电电压、气压、阴极孔径等放电条件对各等离子体参数有较大影响。利用了探针诊断和发射光谱的方法,对实验中的空心阴极放电分别做了定量和定性的分析。通过单探针法这种最经典而又最简单的方法,对空心阴极的中心区域进行了探测。利用所采集的探针电流和电压数据,分别在热平衡状态和非热平衡状态模型下进行推断,得到了空心阴极放电等离子体中电子能量的分布函数以及电子温度和电子密度的数值,并且探讨了它们随放电电压和气压的变化关系。结果发现两种假设所得结果虽然在数值上有所差异,但是它们的变化趋势却是相似的;且经分析发现电子密度的大小随电源电压和气压的增大而增大,而电子温度却并非随电源电压的增大而呈单调性变化。发射光谱诊断法作为一种原位、实时、在线、对体系无扰动和时空分辨性能良好的诊断方法,不仅可以分析出特定气体空心阴极放电等离子体中的粒子种类,亦可定性的得到等离子体中电子温度的大小。通过比较不同放电电压和气压条件下特定谱线强度的变化规律,亦可以得到等离子体中相应粒子的反应状态。本文通过发射光谱诊断法对氮气空心阴极放电状态进行了研究,发现氮气空心阴极放电等离子体中存在能量大于10eV的高能电子。由于空心阴极端口处等离子体发光最强烈,故可以认为发射光谱诊断法所探测的主要区域在这端口处,即等离子体的中心区域,这样所得结果与数值模拟结果相对应。以上结果在空心阴极放电应用于硬质薄膜制备和显示器件的研究等方面具有现实的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 空心阴极放电概述
• 1.1 空心阴极放电机理
• 1.2 空心阴极放电产生的条件及其主要特性
• 第二章 低温等离子体放电过程的各种数值模拟方法
• 2.1 粒子模拟
• 2.2 流体模拟
• 2.2.1 流体方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 流体方程的数值处理
• 2.3 混合模拟
• 第三章 空心阴极放电的流体模拟
• 3.1 空心阴极放电模型的基本假设
• 3.2 空心阴极放电的流体模型
• 3.3 流体模型中参数的确定
• 3.4 方程的离散化
• 3.5 算法实现
• 3.6 模拟结果及讨论
• 3.6.1 空心阴极放电的一般放电特性
• 3.6.2 改变放电条件对模拟结果的影响
• 第四章 低温等离子体的诊断概述
• 4.1 Langmuir探针法
• 4.2 发射光谱法
• 4.2.1 等离子体中的原子过程
• 4.2.2 等离子体的简化模型
• 4.2.3 等离子体中的光谱辐射
• 4.3 其它诊断方法
• 第五章 空心阴极放电的探针及光谱诊断
• 5.1 空心阴极放电装置
• 5.2 基本放电特性测试
• 5.2.1 伏安特性曲线
• 5.2.2 气压对放电的影响
• 5.3 Langmuir探针诊断
• 5.3.1 探针诊断电路及装置的参数设置
• 5.3.2 探针诊断程序设计
• 5.3.3 探针诊断数据处理及结果分析
• 5.4 N2空心阴极放电的发射光谱诊断及分析
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢