感性耦合等离子体中螺旋波放电模式机理研究

As a new plasma source,Helicon Plasma has a broad prospect in integrated circuit manufacturing,material sureface modification and Electric propulsion field due to the characteristics of low magnetic field, high and uiniformity electron densities. This project deals with the mechanism of helicon model and the physical process of mode transformation. The efficient ionization mechanism of the helicon plasma source will be explained by analyzing the coulpling between antenna and helicon plasma.Experiments of the helicon plasma source will be carried on to diagnose the parameters of the plasma by the method of the radio frequency compensation Langmiur probe which has been improved to enhance the accuracy.On the other hand, the optical emission spectroscopy is used to obtain the space distribution of the electron density and electron temperature, as well as time evolutions. We aim to establish the complete theorical and experimental system of Helicon plasma.

螺旋波等离子体源作为一种新型等离子体源，由于其电子密度高而均匀、约束磁场低等优点，在集成电路制造、材料表面改性及电推进领域应用前景十分广阔。本项目研究螺旋波模式的产生机理及模式跳变的物理过程。通过分析天线在等离子体中激发螺旋波及螺旋波与等离子体的能量耦合过程，探索螺旋波等离子体内的能量耦合机理，系统分析螺旋波等离子体的高效电离机制。同时，开展螺旋波等离子体源实验研究，改进前期设计的射频补偿探针，提高该方法对等离子体特性诊断的准确性；另一方面，采用具有空间和时间分辨能力的光谱诊断设备对等离子体参量开展诊断实验研究，得到等离子体电子密度和电子温度及其空间分布和随时间的演化过程，形成对螺旋波等离子体特性的完整认识。

磁等离子体发动机作为一种新型电推进技术，具有大推力、高比冲、大推力密度和高功率密度等优点，可应用于未来载人飞行、深空探测等大型航天器。螺旋波等离子体源作为一种高密度、高效率的等离子体发生器装置，可应用于螺旋波等离子体推进和磁等离子体发动机等。. 本项目探索了螺旋波放电模式的产生机理及模式跳变的物理过程，开展了感性耦合等离子体天线电磁仿真研究，研究了电磁波与螺旋波等离子体之间的能量耦合机理，分析了螺旋波等离子体的高效电离机制，开展了螺旋波等离子体源仿真计算研究。实验观测到了等离子体放电过程中，容性耦合、感性耦合和螺旋波耦合放电模式变化的全过程。实现发现了螺旋波等离子体电磁场的磁分量幅值随着磁场变化出现双低场峰现象，利用探针诊断方法测得了螺旋波等离子体参数沿径向和轴向分布，电子密度和温度随轴向和径向距离的减小而减小。电子密度随输入射频功率的增加而增大，但电子温度随输入射频功率的降低而降低。. 螺旋波等离子体的密度可达1019m3量级，氩气螺旋波等离子体密度向向上呈现中心密度峰，等离子体径向发光图像出现blue core现象，H波的存在及其对等离子体的高效加热和电离是形成中心密度峰和blue core现象的主要原因。. 螺旋波等离子体源作为逐渐发展起来的低气压、高密度（1019m3量级）的新型等离子体源，由于其电子密度高而均匀、约束磁场低等优点，民用领域已经在等离子体刻蚀、薄膜材料制备、材料表面改性和气体离子激光器等领域得到广泛应用；军事领域可用于大功率电推进的高密度等离子体发生器装置。