电子回旋共振放电中电子与微波互作用特性的粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模拟

对电子回旋共振（ECR）放电电离过程中的电子与微波互作用特性进行了理论分析与数值模拟.采用粒子模拟（PIC）方法描述带电粒子与微波的互作用,采用蒙特卡罗碰撞（MCC）方法描述粒子间碰撞过程及带电粒子与边界的相互作用.编写了准三维的PIC/MCC数值模拟程序,并对放电过程中电子能量与微波场随时间、空间的演化进行了数值诊断. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗方法 电离     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅱ)——数值模拟与结果讨论

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法，应用电磁模型，编写了准三维的电子回旋共振(ECR)放电电离过程的模拟程序，得到了ECR放电过程中电子与离子的相空间分布、电磁场分布.通过对这些分布随时间演化的分析，得出ECR加热发生在ω≈ω_c0且垂直于轴向的区域；ECR区域，微波能量几乎全部耦合给电子，获得能量的电子通过与中性粒子的电离碰撞产生了大量的带电粒子；随着放电的进行，大量带电粒子通过频繁的碰撞，分布由各向异性逐渐趋于各向同性. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

气体电离的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗数值研究

深入研究电子束对中性气体电离的物理机理,在粒子模拟(PIC)软件CHIPIC的基础上,设计了蒙特卡罗(MCC)电离碰撞模块,并对电子与离子同时进行了跟踪,成功研制了全三维电磁PIC/MCC代码.通过该软件对填充氦气相对论返波管的模拟,对全三维电磁PIC/MCC代码进行验证.模拟结果显示:填充气体可以中和空间电荷限制效应,有效提高电流大小;填充适量的气体可提高功率峰值,扩展脉冲宽度;过量的气体则会缩短脉冲宽度、降低峰值功率.     

气体压强及表面等离激元影响表面波等离子体电离发展过程的粒子模拟

基于表面等离激元 (SPP) 的表面波等离子体 (SWP) 源, 具有高密度、低温度及高产率等优异性能, 其应用在电子器件微纳加工、材料改性等领域. 但由于SPP激励SWP放电的电离过程难于用理论分析和实验测量描述, 因而SWP源均匀稳定产生的电离发展过程一直未研究清晰. 本文以SWP放电的数值模拟为研究手段, 采用等离子体与电磁波相互作用的粒子模拟 (PIC) 方法, 结合蒙特卡罗碰撞 (MCC) 方法处理碰撞效应的优势, 研究气体压强影响电离过程的电磁能量耦合机理. 模拟结果表明SWP的高效产生是SPP的局域增强电场致使, 气体压强能够改变波模共振转换的出现时刻而影响了SWP的电离发展过程. 本文的研究成果展示了SPP维持SWP放电的电离过程, 可为下一代米级SWP源的参数优化提供设计建议. 关键词： 表面波等离子体 表面等离激元 粒子模拟 电离过程     

低气压条件下氢气潘宁放电的模拟分析

为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义. 关键词： 潘宁放电 氢气 粒子模拟 蒙特卡罗     

磁场对直流辉光放电阴极鞘层中电子输运过程的影响

采用MonteCarlo模拟方法研究了磁场对直流辉光放电阴极鞘层中电子输运过程的影响.磁场垂直于阴极鞘层中电场的方问.模型中,电子与中性粒子的碰撞过程有三种(弹性碰撞;激发碰撞和电离碰撞).电子的自由飞行步长由电子与中性粒子的碰撞频率来决定.计算了电子的密度分布,电子与中性粒子的非弹性碰撞速率,以及电子能量和电子通量分布等.结果表明,横向磁场能在一定程度上改变直流放电中电子的输运过程.磁场中电子与中性粒于的非弹性碰撞速率被增强,这一结果与实验结果符合较好.     

ECR微波放电氩离子输运过程的研究

建立了电子回旋共振（ＥＣＲ）微波放电等离子体中离子输运过程的蒙特卡罗模型，考虑了离子与中性原子的电荷交换碰撞和弹性碰撞，以及精确依赖于离子能量的电荷交换和动量转移截面，模拟了源于氩气ＥＣＲ微波放电的氩离子向衬底输运的过程，得到与实验报道相符的模拟结果。     

潘宁源放电的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗碰撞数值算法研究

深入研究潘宁放电的物理机制, 研制了全三维高品质算法粒子模拟软件(PIC), 设计并添加了相应物理情景的蒙特卡罗碰撞模块(MCC), 并对电子、氢分子离子(H₂⁺)、氢正离子(H⁺)、氢三正离子(H₃⁺)同时进行了跟踪, 成功研制了全三维电磁PIC/MCC数值算法. 结合国内研究较热的潘宁放电模型, 对该算法进行模拟验证. 模拟结果显示: 采用有效的滤波算法能抑制电磁数值噪声, 电子能量呈麦克斯韦分布, 由于电子的径向漂移和加速导致离子源顶端H₂⁺产量较大. 关键词： 潘宁离子源 高品质算法 粒子模拟/蒙特卡罗     

空心阴极类火花放电初始电离过程的PIC/MCC模拟

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法,应用静电模型,编写了准三维的模拟程序.该程序能够较好地描述空心阴极类火花放电初始电离过程的演化步骤.通过研究电离过程的细节,可以认为该阶段电离过程是空心阴极效应和局部强电场共同作用的结果.从起始电离到空心阴极初始阶段,局部强电场在电离过程中起到了支配作用;随后空心阴极效应占据主导地位. 关键词： 粒子模拟 蒙特卡罗 空心阴极 类火花放电     

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采用粒子模拟与蒙特卡罗模型相结合(PIC/MCC)的方法,建立了氮分子气体辉光放电自洽的混合模型,其中带电粒子在电场中的运动及其产生的自洽场由PIC方法的静电模型描述,粒子间的碰撞过程由MC方法描述。模拟了放电过程及带电粒子(e、N2+、N+)在整个放电空间的行为及与之对应的自洽电场和电势的分布,通过计算带电粒子在负辉区的几率分布函数,讨论了带电粒子(e、N2+、N+)在负辉区的行为和分布特征。计算的分子离子密度与实验结果一致。     

基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

 采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

磁场对直流辉光放电阻极鞘层中电子输运过程的影响

采用Ｍｏｎｔ－Ｃａｒｌｏ模拟方法研究了磁场对直流辉放电阴极鞘层中电子输运过程的影响，磁场垂直于阴极鞘层中电场的方向，模型中，电子与中性粒的碰撞过程有三种。电子的自由飞行步长由电子与中性粒子的碰撞频率来决定，计算了电子的密度分布，电子与中性粒的非弹性碰撞速率，以及电子能量和电子通量分布等，结果表明，横向磁场能在一定程度上改变直流放电中电子的输运过程，磁场中电子与中性粒子的非性弹碰撞速率被增强，这一结     

电子回旋共振微波等离子体及其在材料科学中的应用

 低气压、低温放电方面的一个重要的最新进展是电子回旋共振(ECR)放电。这种技术首先是在核聚变研究中发展起来的。最初,它被用于磁镜实验装置产生和加热等离子体,后来,又被发展成为托卡马克、串级磁镜等聚变装置实验中进行等离子体加热的主要手段之一,即电子回旋共振加热(ECRH)。目前,这一高技术已被移植到各种低温等离子体应用之中,显示了蓬勃的生命力。电子回旋共振微波等离子体是指:当输入的微波频率ω等于电子回旋共振频率ωce时,微波能量可以共振耦合给电子,获得能量的电子电离中性气体,产生放电。电子回旋频率为ωce=eB/m,e和m为电子电荷及其质量,B是磁场强度。     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

Ta及Nanbu库仑碰撞模型数值对比研究

深入研究库仑碰撞,对两种库仑碰撞模型-Ta模型与Nanbu模型在理论上进行了对比分析,详细阐述了两种模型中散射角大小的区别.在已有的采用Ta模型的全三维粒子模拟/蒙特长罗(PIC/MCC)算法基础上,采用Nanbu模型对电子间库仑碰撞计算模块重新进行了算法设计.分别应用Ta模型、Nanbu模型和无库仑碰撞的全三维PIC/MCC算法对国外热门负氢离子源JAEA 10A中的电子能量沉积进行了模拟分析.模拟结果与实验结果的对比分析发现:1)库仑碰撞使电子能量分布更接近于麦克斯韦分布;2)相对于传统的Ta模型,Nanbu模型的散射角考虑了多体碰撞的累加效果从而具有更高的期望值,按其模拟得到的电子温度具有更高的精度.这些为国内外学者设计相关算法指明了方向.     

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。     

圆柱形阳极层霍尔等离子体加速器的质点网格方法模拟

对圆柱形阳极层霍尔加速器内的放电等离子体运用二维质点网格方法（particle in cell）进行数值模拟,用蒙特卡罗碰撞方法处理带电粒子与中性粒子之间的碰撞. 得到了放电通道内离子与电子的分布以及离子流的运动,并且对出口外侧的能量分布进行了统计. 结果发现圆柱形阳极层等离子体加速器的磁场对电子有明显的约束作用,电子集中于阳极附近很小的区域内. 由于电磁场的特殊分布,离子流呈现出双峰式的分布. 离子能量范围从放电电压的20%到接近放电电压,平均能量在放电电压的40%—50%之间. 关键词： 质点网格方法 蒙特卡罗碰撞 数值模拟 阳极层霍尔等离子体加速器     

负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟

由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播,而很难通过对传统的表面波等离子体(SWP)源施加负偏压实现金属材料溅射,因此限制了SWP源的使用范围.近期,一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题,且其加热机理是表面等离激元(SPP)的局域增强电场激励气体放电产生.但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰,导致其最佳放电条件没有获得.本文采用粒子(PIC)和蒙特卡罗碰撞(MCC)相结合的模拟方法,探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理.模拟结果表明,负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化,从而表现出不同的放电形貌.进一步分析确定,在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近,该SWP源的放电效果最佳.     

直流空心阴极放电中鞘层区电子的输运过程

采用蒙特－卡洛方法对空心阴极放电中鞘层区电子的输运过程进行了研究，电子在鞘层区被非均匀电场加速，两次碰撞之间的步长是由电子与中性粒子的碰撞频率确定。模型中三种碰撞截面积是由实验和理论数据拟合而来。研究了电子平均能量、电子密度和电离系数在径向的分布。电子能量的空间分布结果与实验很好地符合。 关键词：