等离子体衰亡过程中的鞘层特性与粒子输运行为研究

Sheath, which forms during plasma-wall interaction process, determines not only the particle flux to the wall, but also the features of the main plasma region. Studies on the sheath characteristics is one of the challenging and continuously developing research fields with the development of plasma and the crossing science and technology fields. The sheath structure and particle transportation in a decaying plasma are affected not only by the plasma parameters of the core region (e.g., the number densities and temperatures of different species), but also by the wall features (e.g., the electric potential, temperature and secondary electron emission ability of the wall); and simultaneously, there exists a strong “plasma-sheath-wall” coupling effect. The studies in this aspect are still very limited up to now. In this project, we will study the spatiotemporal evolutions of the sheath structures, particle fluxes and the plasma parameters of the core region in a low pressure, argon decaying plasma jet under the foregoing different operating conditions. Based on the theoretical analysis, numerical modeling and experimental verification, the major factors which determine the different sheath structures and particle fluxes at the wall will be revealed. This research would be very important not only for the deeper understanding to the spatiotemporal evolution and interaction mechanisms of the “plasma-sheath-wall” system, but also for regulating and controlling of the operation parameters in actual plasma processing.

等离子体与壁面相互作用过程中形成的鞘层结构不仅决定了流向壁面的粒子通量，而且对中心区等离子体特性有显著影响。鞘层特性的研究是一个伴随着等离子体及其交叉科技领域发展具有相当挑战性的、不断发展的研究方向。等离子体衰亡过程中鞘层结构和带电粒子输运特性的时空演化不仅受到中心区等离子体参数（如粒子浓度、温度等）分布和壁面特性（如壁面电位、温度、二次电子发射能力等）影响，且呈现出“等离子体区—鞘层区—壁面”强耦合特性，然而目前这方面研究工作非常有限。本项目采取理论分析、数值模拟和实验验证相结合的手段，以低气压氩等离子体射流条件下的鞘层为对象，系统研究等离子体衰亡过程中上述参数对鞘层结构、粒子通量及中心区等离子体参数时空演化特性的影响，揭示决定不同鞘层结构和壁面处粒子通量的关键因素。这对于深入理解随时空演化的“等离子体区—鞘层区—壁面”相互作用机制、指导实际应用中等离子体工艺参数的调控具有重要意义。

等离子体与壁面相互作用过程中形成的鞘层结构不仅决定了流向壁面的粒子通量，而且对中心区等离子体特性有显著影响。鞘层特性的研究是一个伴随着等离子体及其交叉科技领域发展具有相当挑战性的、不断发展的研究方向，在原子蒸气激光同位素分离、航空航天等领域有着重要的应用。本项目采取理论分析、数值模拟和实验验证相结合的手段，以壁面约束的低气压无碰撞等离子体为研究为对象，发展了研究低气压等离子体中带电粒子非平衡输运的实验平台（IEX）、非平衡流体模型与相应的计算机程序代码，以及基于两个开源的粒子模拟（PIC）程序（EDIPIC和WARP）的等离子体产生和壁面二次电子发射模块，系统开展了以等离子体衰亡过程中鞘层结构、电势、带电粒子通量的时空演化，以及等离子体–波相互为核心的理论与实验研究。理论分析和数值模拟揭示了低气压等离子体衰亡过程中电子动力学行为对整个等离子体衰亡过程的重要影响，重新划分了等离子体衰亡过程的不同阶段；指出了引出过程中的正负电荷分离是Child-Langmuir鞘层形成的关键原因，据此提出了外加电子束注入和平行极板外加磁场两种提高离子引出通量、缩短离子引出时间的全新方法，并为IEX平台上的部分实验结果所证实；针对实际工程应用，建立了描述离子引出时间和最大引出离子流的定标率公式和数据图表；推导了相似性准则，首次开展了面向实际工程应用的等离子体衰亡过程二维粒子模拟，揭示了型电极结构下外加引出电压、初始等离子体密度和极板间距对离子引出时间，以及各极板上离子沉积比例的影响规律。本项目研究工作不仅对于丰富随时空演化的“等离子体区–鞘层区–壁面”相互作用机制的认识具有重要的理论意义，而且对于指导实际应用中工艺参数的优化、发展全新的高效率离子引出技术具有重要的实用价值。