基于 CFDRC 的感应耦合等离子体离子数密度空间分布仿真

为研究感应耦合等离子体(ICP)沉积装置放电腔与线圈结构以及工艺参数对等离子体分布的影响,基于商业软件CFDRC中等离子体与电磁场模块建立了ICP沉积装置2维放电模型。在典型的ICP反应器中,等离子体反应主要由电子、重粒子间的碰撞来决定。利用不带电的流体模型求解分子、原子和基团等中性粒子的动量和质量守恒方程,而对离子带电粒子,考虑电场力的作用来求解动量方程;电子通量密度的计算是通过求解漂移扩散近似方程而获得的。通过此方法仿真研究了典型工艺条件下(气压0.25 Pa,功率90 W,体积流量120 L/s)等离子体离子数密度的空间分布,对比了不同功率(20、60、90、150 W)、不同抽气体积流量(60、100、140、160 L/s)条件下放电腔内ICP等离子体参数的变化规律。模拟结果表明:离子数密度随体积流量的增加而大幅度增加,随功率的增加而缓慢增加;空间离子数密度峰值出现在放电腔中心区域,随体积流量的增大而逐渐下移。     

孔深对射频空心阴极放电特性的影响

为了提高射频空心阴极放电中的等离子体密度,通过实验和数值模拟研究了氩气环境下孔深对射频空心阴极放电的影响。在实验上利用Langmuir探针测量了射频空心阴极放电等离子体的电子数密度,并对不同孔深条件下获得的电子数密度进行了比较。利用二维流体模型模拟了空心阴极结构下的射频放电,获得了电子数密度和电离速率的分布随孔深的变化规律。模拟结果表明:大的孔深可以增加孔内强电离区域的大小,并使等离子体密度增加,这一规律与实验结果相符;当孔深与孔径的比值大于3时,等离子体密度基本达到饱和。     

一种平面射频发射线圈的电磁特性分析

对一种应用在垂直场磁共振成像系统上的平面射频发射线圈进行了分析研究。首先用集中参数的等效电路模型对线圈的谐振频率及谐振模式进行了理论分析,在此基础上利用电磁场数值计算的方法对这种线圈在不同的谐振模式下的电流分布及磁场分布进行了研究。最后还对一个分成8段的平面射频发射线圈的射频场的空间分布进行了仿真。结果表明,这种线圈在300 mm的球内,磁场强度偏离中心点最大不超过15.2%,计算结果与实测结果是吻合的。     

CF_4/O_2混合气体ICP刻蚀4H-SiC工艺研究

感应耦合等离子体(ICP)刻蚀是宽禁带半导体材料4H-SiC加工工艺中的重要环节。采用CF_4/O_2作为刻蚀气体,首次用正交实验的方法系统研究了ICP功率、射频(RF)功率、CF_4流量、O_2流量等工艺参数对4H-SiC材料刻蚀速率的影响,结果表明刻蚀速率随ICP功率和RF功率的增大而增大,随CF_4流量先减小后增大,随O_2流量先增大后减小。在ICP功率为500 W、RF功率为125 W、CF_4和O_2流量分别为15 sccm和22 sccm时,获得最大刻蚀速率213.47 nm/min,同时表面均方根粗糙度仅为0.724 nm,保证了较好的表面质量。     

超声速气流电容耦合射频放电特性

针对如何产生均匀和稳定的超声速非平衡等离子体这一科学问题,为进一步探究超声速气流电容耦合射频放电特性,建立了超声速非平衡电离磁流体动力技术实验系统,开展了Ma=3.4条件下,超声速气流边界层与主流中心区的电容耦合射频放电特性研究;同时针对超声速放电等离子体的实时诊断问题,基于均匀射频放电模型,联立能量平衡方程,建立等离子体诊断模型对平均电子数密度与电子温度等参数进行诊断。结果表明:超声速气流条件下,通过电容耦合射频可以产生均匀和稳定的放电等离子体;分子数密度是影响超声速气流放电特性的主要因素,同时超声速气流对平均电子温度的影响很小,约为0.46 e V。     

电感式磨粒传感器线圈参数对磁场均匀性影响研究

磁场均匀性是影响电感式磨粒传感器检测精度的重要因素,为了提高传感器磁场均匀性,研究线圈参数对传感器磁场分布规律,根据磁场叠加原理,建立了电感式磨粒传感器三线圈数学模型,推导出传感器磁场计算公式,提出磁场均匀性评价系数K。对电感式磨粒传感器磁场进行仿真,分析了线圈内径、线圈宽度、线圈间距以及线圈匝数对传感器磁场分布的影响。通过极差分析和方差分析分别得到磁场均匀性最优线圈参数组合和线圈参数对磁场均匀性影响的显著性。实验结果表明:当线圈为最优参数时,传感器对70～200μm的磨粒有良好的监测能力,磨粒在不同径向的监测结果偏差小于5%,为传感器线圈的设计提供了参考。     

平面线圈电磁耦合的沿面DBD气体放电加速诱导气流的实验研究

为了提高典型沿面DBD平板激励器诱导气流速度,通过实验研究了典型DBD平板激励器表面的磁场分布,提出了在DBD平板激励器的上、下电极之间夹进平面线圈,运用电磁耦合原理增强等离子体激励器放电效果,从而加速DBD等离子体诱导气流的方法。探究了不同结构参数的电感线圈产生的电磁耦合作用对大气压下平板式DBD等离子体激励器放电加强的效果,以及夹进平面线圈后加载电源的电压和频率对DBD放电的影响,并利用粒子图像测速技术测量了电磁耦合作用下典型DBD等离子体诱导气流流场,考察了其中电磁耦合对加速诱导气流的作用。实验结果表明,运用电磁耦合作用可在一定程度上增强等离子体激励器的放电效果,一些电感线圈产生的电磁耦合作用可显著改善DBD等离子体诱导气流的连续性和加厚流场区域。     

逆方法设计用于3T磁共振成像的乳腺射频线圈

射频(RF)线圈是磁共振成像(MRI)系统的关键部件之一,用于射频信号的发射或接收,乳腺3 T MRI中采用专用的射频线圈可进一步提高磁共振成像的质量。为了获得简单的线圈绕线形状并使得射频磁场分布均匀,研究利用了L曲线自动选取和手动选取惩罚因子对线圈绕线形状和磁场分布均匀性的影响,并结合目标场方法和流函数方法,提出了一种用于3 T(磁感应强度为3 T)乳腺磁共振成像的射频线圈设计方法。研究结果表明:1×1、2×1、2×2、4×1等4种半球形相控阵射频线圈的绕线形状随着阵列增加而变复杂;惩罚因子取利用L曲线自动选取的值时,磁感应强度线性方程的解最精确,阵列1×1在[10-25,10-18]区间内无论怎样选取惩罚因子,灵敏区内的磁场分布误差(即实际值与理想值之间的误差)都40%,阵列2×2和4×1的磁场分布误差10%,但是线圈绕线形状非常复杂,工程上难以实现;手动选取惩罚因子的值,可以使得磁场分布误差40%,而且线圈的绕线形状简单;与相同半径和高度的圆柱型射频线圈相比,所提出的半球型射频线圈磁场分布更为均匀。可得结论:惩罚因子越小,则线圈绕线越复杂,而磁场分布越均匀;反之,惩罚因子越大,则线圈绕线越简单,而磁场分布越不理想。在简单的线圈绕线形状和保证射频磁场分布均匀之间取得平衡需要根据L曲线手动调节选取惩罚因子的值。     

SF6电弧等离子体输运特性数值分析

为定量描述SF6断路器在大电流开断过程中所产生电弧等离子体参数的动态变化,采用Eindhoven微观电弧模型,得到不同条件下电弧特性参数——电导率和热导率的分布;定量描述了温度、压力与粒子碰撞方式对输运特性的影响.基于热力学平衡模型以及Boltzmann方程数值求解与分析,找到电弧等离子体中输运特性的定量描述,为数值模拟SF6电弧等离子体参数变化分布以及能量逸散提供参数.     

肿瘤治疗用脉冲磁场发生器中聚焦磁场线圈的研制

为了开展荷瘤动物的在体肿瘤治疗实验研究,并提高肿瘤治疗的有效性和安全性,要求脉冲磁场发生器的磁场线圈具有较好的聚焦性能。为此,在总结课题组前期工作的基础上,提出了一种球面型聚焦线圈阵列。首先通过COMSOL Multiphysics有限元软件对改进前和改进后2种球面型聚焦线圈的磁场分布进行了仿真分析;然后确定了聚焦线圈模型,并仿真分析了子线圈的半径和线径对磁场分布的影响,进而确定了线圈参数并完成了实物的研制;最后对聚焦磁场线圈的聚焦性能进行了实测与评估。研究结果表明,改进后的聚焦磁场线圈的聚焦性能比改进前有了很大提高,子线圈半径对聚焦线圈的磁场分布有较大的影响,而子线圈的线径影响较小。总之,所设计和研制的球面型聚焦线圈阵列的聚焦性能较好,满足设计要求,为下一步的脉冲磁场发生器的研制和医学实验奠定了坚实基础。     

等离子清洗技术

环境污染控制，人员劳动保护，技术应用，在高密度电子组装、精密机械制造中，湿法清洗工艺日渐局限，干法清洗的机理及应用研究日趋紧迫，等离子体清洗技术在干法清洗中优势明显。文章的主要内容是等离子体清洗的机理及低温等离子体技术清洗的工艺。     

Plasma coal reprocessing

Results of many years of investigations of plasma-chemical technologies for pyrolysis, hydrogenation, thermochemical preparation for combustion, gasification, and complex reprocessing of solid fuels and hydrocarbon gas cracking are represented. Application of these technologies for obtaining the desired products (hydrogen, industrial carbon, synthesis gas, valuable components of the mineral mass of coal) corresponds to modern ecological and economical requirements to the power engineering, metallurgy, and chemical industry. Plasma fuel utilization technologies are characterized by the short-term residence of reagents within a reactor and the high degree of the conversion of source substances into the desired products without catalyst application. The thermochemical preparation of the fuel to combustion is realized in a plasma-fuel system presenting a reaction chamber with a plasmatron; and the remaining plasma fuel utilization technologies, in a combined plasma-chemical reactor with a nominal power of 100 kW, whose zone of the heat release from an electric arc is joined with the chemical reaction zone.     

大尺度磁分散电弧等离子体位形的静电探针诊断

磁旋转电弧可以产生大面积均匀等离子体:磁分散电弧等离子体。利用快速移动水冷静电探针对大气压氩弧磁分散电弧等离子体进行了诊断,得到发生器弧室内的电子温度分布、电弧位形以及等离子体波动等信息。诊断结果表明:等离子体弧柱区呈圆盘状,并在轴向有较大扩张,弧柱区下游等离子体波动较大,为等离子体云与冷气团混合所致。将探针诊断结果与采用热力学平衡模型的数值计算结果比较,发现2者具有相似的等离子体位形,但实验测量得到的电子温度更高,等离子体分布范围更广。分析认为,这种差异可能是等离子体偏离局域热力学平衡和等离子体的不稳定性造成的。     

非平衡等离子体燃烧强化

为了引起我国对非平衡等离子体燃料强化技术研究的重视并促进该技术的发展,介绍了脉冲电晕放电和介质阻挡放电产生的非平衡等离子体对燃料或者可燃混合气活化作用的基本原理和特点,综述了国内外研究现状,并展望了其应用前景。     

大气压非平衡等离子体射流

大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)的显著优点是可以在开放空间内而非狭窄放电间隙内(如介质阻挡放电)产生非平衡等离子体,APNP-Js已成为低温等离子体应用领域的1项新型关键技术。为此,首先从驱动电源的角度出发,分别介绍了直流、交流、射频、微波、脉冲和双电源驱动的几种典型APNP-Js。其次比较了不同电源驱动的APNP-Js特性,发现在消耗功率相同的情况下,脉冲驱动模式下的APNP-Js长度更长,APNP-Js推进速度更快,活性粒子数密度更高,而气体温度则保持在常温。再次进一步分析了电源参数对APNP-Js的影响,1随着频率从1 Hz上升至射频范围,APNP-Js长度总体变短,APNP-Js推进形状由"等离子体子弹"转变为连续柱状;2随着脉冲上升沿从几μs降低至50 ns,不仅APNP-Js推进速度加快,而且APNP-Js长度增加,电子温度更高,活性更强;3通过比较正负极性电压驱动的APNP-Js特性,发现负极性APNP-Js长度更短,APNP-Js推进速度更慢,射流携带电流更小,但等离子体通道中电场强度更高。最后讨论了驱动电源特性与APNP-Js参数之间的关系,并对APNP-Js面临的一些关键问题和发展方向进行了展望,如利用最少的电源功率来驱动APNP-Js以获得最高的活性粒子数密度、电源输出能量耦合进等离子体后如何分配优化等。     

等离子体法去除甲醛的实验研究

为了去除甲醛对大气环境的污染,分析了等离子体技术去除甲醛气体的机理,包括电子与污染物分子的直接碰撞和电场产生的活性粒子与污染物分子间发生的一系列化学反应2部分,以陶瓷环为钛酸钡和亚硝酸钠铁电体材料为载体实验研究了用高频交流电晕放电等离子体处理甲醛气体的技术。实验参数为高频交流电压8-12 kV,气流速度35-70 mm/s。实验结果表明,高频交流电晕放电等离子体技术可去除甲醛气体;增加电压,减小气体流速都能提高甲醛的去除率,钛酸钡填料的处理效果好于亚硝酸钠填料,且都优于无填料的处理效果。     

封闭式等离子体发生器设计及其放电等离子体参数分布实验研究

为满足飞行器典型部件隐身需求,针对等离子体隐身技术应用中存在的在低空开放环境下不易产生和维持的问题,设计了一种封闭式的等离子体发生器。使用μs脉冲电源,以氩气为工作气体,在低气压下进行了放电实验。利用发射光谱法,研究了电子温度和电子密度在密闭腔体内部的分布规律。等离子体电子温度变化采用Boltzmann曲线斜率法进行分析,等离子体电子密度的变化通过分析Ar 750.38nm谱线强度变化得到。实验发现:放电电压对于电子密度的影响较为强烈,而对于电子温度影响相对较小。无论从腔体X轴还是Y轴出发,都可以看出其电子温度总体上呈现下降趋势,而电子密度逐渐增加。而且由于进气口和真空泵接口的位置分布产生的气压梯度原因,2个参数的变化在X轴向上都表现得更为强烈。     

等离子体技术应用

角反射器由于其内部的多次反射其具有空间宽角度的散射特性.文中从减缩机理和仿真分析的角度,分析了等离子体的产生、生命周期、反射、吸收和频移等特性,结果表明等离子体在实际应用中具有工程应用价值.