多成分电负性碰撞等离子体的鞘层玻姆判据

采用双流体模型研究了多成分的电负性碰撞等离子体鞘层的玻姆判据,讨论了一维稳态情形下不同的带电粒子对鞘层玻姆判据的影响。采用拟牛顿法,得到了数值解。结果表明：玻姆判据存在上限和下限。二次电子发射系数越大,离子的马赫数越大;负离子的含量越多,离子的马赫数越小。鞘层中离子的温度、离子与中性粒子的碰撞以及离子的带电量对玻姆判据的上下限的取值都有一定的影响。     

斜磁场作用下碰撞电负性等离子体鞘层的玻姆判据

采用流体模型研究了外加斜磁场作用下的碰撞电负性等离子体鞘层的玻姆判据, 讨论了负离子和磁场对鞘层玻姆判据的影响. 研究结果表明: 在电负性鞘层中, 正离子更容易进入鞘层, 负离子的存在只能影响离子马赫数取值的下限; 而外加磁场可以使离子马赫数的取值范围整体发生移动.     

电负性等离子体磁鞘的玻姆判据

采用流体模型研究了电负性等离子体磁鞘的玻姆判据,讨论了负离子以及磁场对鞘层玻姆判据的 影响.研究结果表明:负离子的存在促进离子进入鞘层;而磁场强度、角度以及离子进入鞘层的状态将共同决定 离子马赫数的取值.     

电子的非广延分布对等离子体鞘层中二次电子发射的影响

采用一维流体模型研究了非广延分布电子对等离子体鞘层中二次电子发射的影响.通过数值模拟,研究了非广延分布电子对考虑二次电子发射的等离子体鞘层玻姆判据、器壁电势、器壁二次电子临界发射系数以及等离子体鞘层中二次电子密度分布的影响.研究结果发现,当电子分布偏离麦克斯韦分布(q=1,广延分布)时,非广延参量q的改变对器壁二次电子发射有着重要的影响.不论电子分布处于超广延(q 1),还是处于亚广延状态(q 1),随着非广延参量q的增加,都会出现鞘边临界马赫数跟着减小,同时对于随着二次电子发射系数的增加,临界马赫数跟着增加.器壁电势随着参量q的增加而增加.器壁二次电子临界发射系数则随着非广延参量的增加而减小,并且等离子体中所含的离子种类质量数越大,非广延参量的变化对器壁二次电子临界发射系数的值影响越小.此外,随着非广延参量的增加,鞘层厚度减小,鞘层中二次电子数密度增加.通过对数值模拟结果分析,发现电子分布处于超广延分布状态对等离子体鞘层中二次电子发射特性的影响要比电子处于亚广延分布状态要更明显.     

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。     

斜磁场中碰撞等离子体鞘层的玻姆判据

采用双流体模型研究了斜磁场作用下的碰撞等离子体鞘层的玻姆判据,讨论了磁场对鞘层玻姆判据的影响.结果表明:玻姆判据存在上限和下限,磁场强度、角度以及离子进入鞘层的状态都对离子马赫数的取值范围有影响.     

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.     

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     

两种带电尘埃颗粒的等离子体鞘层玻姆判据

采用流体方程和尘埃充电自洽模型研究了鞘边含有两种尘埃颗粒的等离子体玻姆判据. 通过拟牛顿法数值模拟了鞘边两种尘埃颗粒的存在对尘埃自身充电以及离子马赫数的影响. 两种尘埃颗粒中含量较少的尘埃颗粒数密度的增加, 导致两种尘埃颗粒表面悬浮势一个降低, 一个升高. 含量较少的尘埃颗粒的数密度越多和半径越小, 都会导致离子马赫数增大. 另外鞘边无论何种尘埃颗粒的速度增加, 鞘边离子马赫数都将减小. 关键词： 等离子体鞘层 尘埃颗粒 玻姆判据     

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     

Sheath structure in plasma with two species of positive ions and secondary electrons

The properties of a collisionless plasma sheath are investigated by using a fluid model in which two species of positive ions and secondary electrons are taken into account. It is shown that the positive ion speeds at the sheath edge increase with secondary electron emission(SEE) coefficient, and the sheath structure is affected by the interplay between the two species of positive ions and secondary electrons. The critical SEE coefficients and the sheath widths depend strongly on the positive ion charge number, mass and concentration in the cases with and without SEE. In addition, ion kinetic energy flux to the wall and the impact of positive ion species on secondary electron density at the sheath edge are also discussed.     

One-dimensional solution to the stable, space-charge-limited emission of secondary electrons from plasma-wall interactions

Numerical solutions to the stable, space-charge-limited emission of secondary electrons from plasma-wall interaction are found based on one-dimensional plasma moment equations that assume cold ions, Maxwellian electrons and cold secondary electrons. The numerical method finds a range of plasma parameters that permit stable emission of secondary electrons in the absence of normal electric fields to the wall. These solutions were not obtained with previous method that solves only for the marginally stable plasma sheath. Range of the ion Mach number at the sheath edge, the floating wall potential relative to the plasmas, and secondary electron emission coefficients corresponding to the vanishing normal electric fields are found for hydrogen, argon and xenon plasmas. The results show that a relatively small range of secondary electron emission coefficient exists to allow stable sheaths structures along with larger ranges of ion injection speed at the sheath edge and floating potential of the emitting wall.     

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.     

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.     

等离子体浸没离子注入非导电聚合物的适应性及栅网诱导效应的研究

本文建立了绝缘材料等离子体浸没离子注入过程的动力学Particle-in-cell(PIC)模型, 将二次电子发射系数直接与离子注入即时能量建立关联, 研究了非导电聚合物厚度、介电常数和二次电子发射系数对表面偏压电位的影响规律以及栅网诱导效应. 研究结果表明: 非导电聚合物较厚时, 表面自偏压难以实现全方位离子注入, 栅网诱导可以间接为非导电聚合物提供偏压, 并抑制二次电子发射, 为厚大非导电聚合物表面等离子体浸没离子注入提供了有效途径.     

Heat flow through a plasma sheath in the presence of secondary electron emission from plasma‐wall interaction

The formation of a plasma sheath in front of a negative wall emitting secondary electron is studied by a one‐dimensional fluid model. The model takes into account the effect of the ion temperature. With the secondary electron emission (SEE ) coefficient obtained by integrating over the Maxwellian electron velocity distribution for various materials such as Be, C, Mo, and W, it is found that the wall potential depends strongly on the ion temperature and the wall material. Before the occurrence of the space‐charge‐limited (SCL ) emission, the wall potential decreases with increasing ion temperature. The variation of the sheath potential caused by SEE affects the sheath energy transmission and impurity sputtering yield. If SEE is below SCL emission , the energy transmission coefficient always varies with the wall materials as a result of the effect of SEE , and it increases as the ion temperature is increased. By comparison of with and without SEE , it is found that sputtering yields have pronounced differences for low ion temperatures but are almost the same for high ion temperatures.     

Effects of secondary electron emission on plasma characteristics in dual-frequency atmospheric pressure helium discharge by fluid modeling

A one-dimensional(1D) fluid simulation of dual frequency discharge in helium gas at atmospheric pressure is carried out to investigate the role of the secondary electron emission on the surfaces of the electrodes. In the simulation, electrons,ions of He~+ and He_2~+, metastable atoms of He*and metastable molecules of He*_2 are included. It is found that the secondary electron emission coefficient significantly influences plasma density and electric field as well as electron heating mechanisms and ionization rate. The particle densities increase with increasing SEE coefficient from 0 to 0.3 as well as the sheath's electric field and electron source. Moreover, the SEE coefficient also influences the electron heating mechanism and electron power dissipation in the plasma and both of them increase with increasing SEE coefficient within the range from 0 to 0.3 as a result of increasing of electron density.