二次电子发射系数对含有超广延分布电子的等离子体器壁电势的影响

采用一维模型研究本底电子为麦氏分布的等离子体中存在部分超广延分布的高温电子情况下的二次电子发射系数对器壁电势的影响。数值模拟结果表明：当器壁二次电子发射系数较小时,器壁电势随着超广延分布电子与本底电子的浓度比值、温度比值、以及超广延参量这些参数的增加而减小;当器壁二次电子发射系数较大时,器壁电势则随着超广延分布电子与本底电子的浓度比值、温度比值、以及超广延参量值的增加而增加。     

二次电子发射和负离子存在时的鞘层结构特性

 建立了包括电子、离子、器壁发射二次电子以及负离子多种成分的等离子体无碰撞鞘层的基本模型,讨论了二次电子发射和负离子对1维稳态等离子体鞘层结构的影响,并且分析了多种成分等离子体鞘层内的二次电子和负离子的相互作用。结果表明：二次电子发射系数的增加和负离子含量的增加,都将导致鞘层的厚度有所减小;二次电子发射系数超过临界发射系数之后,鞘层不再是离子鞘。随着器壁材料二次电子发射系数的增加,鞘层中的负离子密度分布也逐渐增加;负离子的增加,导致二次电子临界发射系数有所增加。另外,在等离子体鞘层中二次电子发射和负离子的存在,也影响着鞘层中电子的放电特性与器壁材料的腐蚀。     

具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构

很多关于等离子体鞘层的研究工作都是基于电子满足经典的麦克斯韦速度分布函数,而等离子体中的粒子具有长程电磁相互作用,使用Tsallis提出的非广延分布来描述电子更为恰当.本文建立一个具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘模型,理论推导出受非广延参数q影响的玻姆判据,离子马赫数的下限数值会随着参数q的增大而减小.经过数值模拟,发现与具有麦克斯韦分布(q=1)电子的碰撞等离子体磁鞘对比,具有超广延分布(q<1)和亚广延分布(q>1)电子的碰撞等离子体磁鞘的结构各有不同,包括空间电势分布、离子电子密度分布、空间电荷密度分布.模拟结果显示非广延分布的参数q对碰撞等离子体磁鞘的结构具有不可忽略的影响.希望这些结论对相关的天体物理、等离子体边界问题的研究有参考价值.     

霍尔推进器中磁化二次电子对鞘层特性的影响

为进一步研究霍尔推进器壁面二次电子发射对推进器性能的影响,采用流体模型数值模拟了二次电子磁化效应的等离子体鞘层特性.得到二次电子磁化鞘层的玻姆判据.讨论了不同的磁场强度和方向、二次电子发射系数以及不同种类等离子体推进器的鞘层结构.结果表明:随器壁二次电子发射系数的增大,鞘层中粒子密度增加,器壁电势升高,鞘层厚度减小;鞘层电势及粒子密度随着磁场强度和方位角的增加而增加;而对于不同种类的等离子体,壁面电势和鞘层厚度也不同.这为霍尔推进器的磁安特性实验提供了理论解释. 关键词： 霍尔推进器 磁鞘 二次电子     

电子温度各向异性对霍尔推力器BN绝缘壁面鞘层特性的影响

建立多价态多组分等离子体一维流体鞘层模型,引入电子温度各向异性系数并考虑出射电子速度分布,研究了电子温度各向异性对霍尔推力器中的BN绝缘壁面鞘层特性和近壁电子流的影响.分析结果表明,相比于纯一价氙等离子体鞘层参数,推力器中的多价态氙等离子体鞘层电势降略有降低,电子壁面损失增加,临界二次电子发射系数减小.推力器中的电子温度各向异性现象可以显著地加大出射电子能量系数,进而降低鞘层电势降,增强电子壁面相互作用.数值结果表明,空间电荷饱和机制下电子温度各向异性对鞘层空间电势分布影响显著. 关键词： 霍尔推力器 电子温度各向异性 空间电荷饱和鞘层     

不同成分等离子体鞘层的玻姆判据

在一维平板鞘层中采用流体模型分别研究了不同成分无碰撞等离子体鞘层的玻姆判据.通过拟牛顿法数值模拟了含有电子、离子、负离子以及二次电子的等离子体鞘层玻姆判据.结果表明二次电子发射增加了鞘层离子马赫数的临界值,且器壁发射二次电子温度越高,离子马赫数临界值越小.负离子使离子马赫数临界值减小.而在含有二次电子和负离子的等离子体鞘层中,当负离子较少时,二次电子发射对离子马赫数临界值影响较大;当负离子增加时,离子马赫数的临界值则主要受负离子的影响. 关键词： 鞘层 等离子体 玻姆判据     

电子非广延分布的多离子磁化等离子体鞘层特性

等离子体磁化鞘层在半导体加工、材料表面改性、薄膜沉积等方面都发挥着重要作用.在等离子体实验和放电应用中,常存在由两种以上离子组成的多离子等离子体;对于长程相互作用的等离子体系统,非麦克斯韦分布的电子可通过Tsallis的非广延分布来描述.本文针对多离子等离子体鞘层建立一维空间坐标三维速度坐标的流体模型,假设鞘层中电子速度服从非广延分布,本底氦离子和不同种类的杂质离子在有一定倾斜角度的磁场中被磁化,通过数值模拟探究了非广延参量、杂质离子及斜磁场对多离子磁鞘中离子的数密度、速度、壁面电势和离子动能等物理量的影响.结果表明,在氦氢或氦氩混合等离子体鞘层中,随着非广延参量增大,离子沿垂直壁方向的速度减小,鞘层中离子、电子数密度均减小,鞘层厚度减小,壁面处离子动能减小;当杂质离子浓度增大时,壁面处离子动能与离子种类无关.随着磁场强度的增大,氦离子数密度和沿垂直壁方向的速度在鞘边出现起伏,且波动幅度随着非广延参量的减小而增大,而重离子则无明显的波动.此外,还分析了杂质离子种类和浓度对鞘层相关特性的影响.     

壁面二次电子发射对霍尔推力器放电通道绝缘壁面双鞘特性的影响

为进一步揭示霍尔推力器放电通道绝缘壁面鞘层的特性, 利用考虑了壁面二次电子分布函数的一维稳态流体鞘层模型, 研究了壁面二次电子发射对近壁双鞘特性的影响. 分析结果表明, 由于壁面发射的二次电子对近壁鞘层中的电子密度有增加作用, 存在一个临界二次电子发射系数σ_dc使得: 当σ≤σ_dc时, 鞘层为单层的正离子鞘结构; 当σ>σ_dc时, 鞘层表现为双层的正离子鞘和电子鞘相连结构, 连接点对应于垂直于壁面方向上电势分布的拐点. 然而, 当σ进一步增大到0.999时, 鞘层转变为三层的正离子鞘-电子鞘-正离子鞘交替结构. 数值结果表明: 随着σ的增加, 电子鞘与离子鞘的连接点向远离壁面的方向移动, 电子鞘的厚度逐渐增加; 随着壁面出射电子能量系数a的增加, 近壁区鞘层的厚度也逐渐增加. 关键词： 霍尔推力器 双鞘 壁面二次电子发射     

电子温度对霍尔推进器等离子体鞘层特性的影响

采用二维粒子模拟方法研究了霍尔推进器通道中电子温度对等离子体鞘层特性的影响, 讨论了不同电子温度下电子数密度、鞘层电势、电场及二次电子发射系数的变化规律. 结果表明: 当电子温度较低时, 鞘层中电子数密度沿径向方向呈指数下降, 在近壁处达到最小值, 鞘层电势降和电场径向分量变化均较大, 壁面电势维持一稳定值不变, 鞘层稳定性好; 当电子温度较高时, 鞘层区内与鞘层边界处电子数密度基本相等, 而在近壁面窄区域内迅速增加, 壁面处达到最大值, 鞘层电势变化缓慢, 电势降和电场径向分量变化均较小, 壁面电势近似维持等幅振荡, 鞘层稳定性降低; 电子温度对电场轴向分量影响较小; 随电子温度的增大, 壁面二次电子发射系数先增大后减少. 关键词： 霍尔推进器 等离子体鞘层 电子温度 粒子模拟     

二次电子分布函数对绝缘壁面稳态鞘层特性的影响

由于缺乏详细的理论计算和实验结果,在研究绝缘壁面稳态流体鞘层特性时,通常假设壁面出射的总二次电子服从单能分布(0)、半Maxwellian分布等.在单能电子轰击壁面的详细二次电子发射模型基础上,采用Monte Carlo方法统计发现:当入射电子服从Maxwellian分布时,绝缘壁面发射的总二次电子服从三温Maxwellian分布.进而,采用一维稳态流体鞘层模型进行对比研究,结果表明:二次电子分布函数对鞘边离子能量、壁面电势、电势及电子/离子密度分布等均具有明显影响;总二次电子服从三温Maxwellian分布时,临界空间电荷饱和鞘层无解,表明随着壁面总二次电子发射系数的增加,鞘层直接从经典鞘层结构过渡到反鞘层结构.     

杂质离子对等离子体边界参量的影响

采用一维流体模型研究了含有杂质离子的等离子体与器壁材料相互作用给边界等离子体参量带来的影响.通过数值模拟,研究了分别选用碳和钨作为器壁材料时,器壁温度不同情形下热发射产生的电子对等离子体器壁电势、电场强度、热发射电子流以及沉积器壁离子动能流的影响.研究结果发现,当面向等离子体材料表面温度升高时,器壁电势和热发射产生的电流将增加,器壁电场强度和离子沉积器壁动能流则会减小,并且钨作为器壁材料要比碳作为器壁材料对于等离子体边界参量影响更明显.此外,研究了钨作为器壁材料时,碳杂质离子（浓度和电荷数）对等离子体器壁参量的影响.     

霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性

霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层,不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响,本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型,研究了氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)和三氧化二铝(Al_2O_3)三种不同壁面材料的二次电子发射特性,在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上,采用粒子模拟方法,讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系,研究了三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的鞘层特性,结果表明:修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致;在相同电子温度下,三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大,而鞘层电场和鞘层电势降依次减小,BN材料具有合适的二次电子发生射系数,使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作。     

电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘的影响

研究了鞘层中电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘玻姆判据和鞘层结构的影响.通过理论推导得到了考虑鞘层中电子和负离子的反射运动时鞘层玻姆判据表达式,并通过数值模拟得到了电子和负离子采用玻尔兹曼模型和反射运动模型时离子马赫数的下限随参数的变化曲线以及鞘层中带电粒子密度的分布曲线.结果表明,电子和负离子的反射运动模型和玻尔兹曼模型离子马赫数的上限完全相同,下限表达式不同,反射运动模型中下限还与基板电势有关,且随着基板电势值的增加而增大,达到与玻尔兹曼分布中相同值后保持不变,随着鞘边负离子浓度和温度的不同达到最大值的速度不同;离子马赫数的下限在玻尔兹曼和反射运动模型中都随鞘边负离子浓度的增加和温度的降低而减小,只是在反射运动模型中的最大值要小;两种模型中离子马赫数的下限都随鞘边电场的增加而增加,但在玻尔兹曼模型中增加得更快最终值更大;两种模型离子马赫数的下限都随碰撞参数或磁场角度的增加而降低,但在玻尔兹曼模型中降低更快,随着碰撞参数或者磁场角度的增加两种模型中离子马赫数的下限趋于一致;当基板电势值较小时,电子和负离子的反射运动对鞘层结构影响较大,当基板电势值较大时电子和负离子反射运动对鞘层中带电粒子密度分布的影响很小.     

Hall推力器内饱和鞘层下电子与壁面碰撞频率特性

利用二维粒子模拟方法研究Hall推力器内电子与壁面的碰撞频率.研究发现,饱和鞘层状态下的电子与壁面的碰撞频率较经典鞘层下大大增加,甚至高出经典鞘层状态下电子与壁面碰撞频率两个数量级,这样饱和鞘层状态下电子与壁面的碰撞频率对近壁电流的贡献将不容忽略.进一步分析造成饱和鞘层状态下电子与壁面碰撞频率增加的原因后认为,饱和鞘层状态下电子与壁面碰撞频率的增加是鞘层电势降过低和壁面发射的二次电子回流造成的. 关键词： 饱和 鞘层 碰撞 频率     

霍尔推进器中振荡鞘层对电子与壁面碰撞频率的影响研究

利用二维粒子模拟方法研究振荡鞘层对近壁电导的影响.研究结果表明,当二次电子发射系数大于1时,鞘层处于振荡状态.在振荡鞘层状态下,电子与壁面的碰撞通量沿平行与壁面方向剧烈的周期性振荡,振荡的波长为电子静电波波长量级,电子与壁面的碰撞频率高出经典鞘层状态下电子与壁面碰撞频率1—2个数量级,此时的碰撞频率对通道中电流的贡献不可忽略.振荡鞘层相对与经典鞘层增大了电子与壁面的碰撞频率,但是振荡鞘层的存在,仍然会使一部分慢电子无法穿越鞘层的势垒而打到壁面. 关键词： 霍尔推进器 振荡鞘层 二次电子     

圆柱模型下电子回旋共振微波等离子体离子输运过程的数值研究

在圆柱模型下，采用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法模拟了电子回旋共振（ＥＣＲ）微波等离子体源中离子离开放电室后历经中性区、鞘层区以及工件表面二次电子发射形成的虚拟阴极“屏蔽区”，最后被加负偏压的工件表面吸收的全过程．研究了鞘层边界处的衔接问题，得到了光滑自洽的电势分布曲线及工件表面离子的能量分布和角分布，同时讨论了磁场、气压以及二次电子发射对鞘势的影响． 关键词：     

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建立了包含两种正离子的碰撞等离子体鞘层的流体模型,通过四阶龙格-库塔法模拟了碰撞对含有两种正离子的等离子体鞘层中的离子密度和速度分布产生的影响。结果表明,对于两种正离子的等离子体来说,鞘层中无论哪种离子与中性粒子碰撞频率的增加,该种离子的密度和速度分布都将呈现波动变化,密度是先增加后降低,速度是先降低后增加;而另一种离子的密度和速度呈单调变化。鞘边正离子的含量越少,受自身与中性粒子的碰撞频率增加,鞘层中该种离子密度先增加后降低的变化位置就越远离等离子体的鞘层边界。同时发现该种离子密度分布受自身碰撞频率增加,降低的幅度变化非常小。另外发现电子碰撞器壁产生的二次电子发射系数对质量较轻的离子影响要大一些。     

电子入射角度对聚酰亚胺二次电子发射系数的影响

采用具有负偏压收集极的二次电子发射系数测试系统, 对聚酰亚胺样品的二次电子发射系数与入射电子角度和入射电子能量的关系进行了测量. 测量结果表明, 在电子小角度入射样品的情况下, 随着入射角度的增加, 二次电子发射系数单调增加, 并符合传统的规律, 但是在电子大角度入射时, 却与此不符合. 测量显示, 出现偏差时对应的临界电子入射角度随着入射电子能量的降低而减小. 采用简化的电子弹性散射过程和卢瑟福弹性散射截面公式对这种偏差的出现进行了分析, 并推导出修正后的二次电子发射系数的计算公式. 修正后的二次电子发射系数的计算结果更加符合实验结果.     

两种温度电子对稳态等离子体鞘层的影响

建立包含冷热电子的无碰撞等离子体鞘层的流体模型,利用数值模拟研究含有两种温度电子时等离子体鞘层的产生.结果表明:对于含有两种不同温度电子的稳态等离子体,冷电子的温度越低或者冷电子的含量越多,鞘边离子的马赫数临界值就越小,鞘层的宽度就变得越窄,沉积器壁的离子动能流也就越少.此外,研究不同种类的等离子体(Ar、Ke、Xe),鞘层厚度和离子沉积器壁动能流受冷电子的影响.     

尘埃等离子体鞘层的玻姆判据

采用流体方程和自洽电荷变化模型研究了尘埃等离子体鞘层的玻姆判据. 讨论了离子临界马赫数和尘埃粒子临界马赫数随尘埃密度变化的关系, 以及尘埃表面势随尘埃密度变化的趋势. 由于鞘边尘埃粒子的存在, 离子必需以大于声速的速度进入鞘层; 随尘埃密度的持续增加, 离子的临界马赫数增加到一个最大值后开始逐渐减小. 数值计算得到的结果满足Sagdeev势的定性分析. 关键词： 等离子体 鞘层 玻姆判据