射频感应耦合等离子体对材料表面上原子再复合行为的影响

In this project, the atomic recombination behavior for material surfaces is studied under the discharge conditions of the high power, small gas flow and high pressure in a radio-frequency (RF) inductively coupled plasma (ICP) of molecular oxygen (or nitrogen, or air) with argon. In the experiment, a Langmuir probe, optical probe and ICCD are used to measure the plasma parameters (such as electron density, electron temperature, plasma emission intensity and atomic concentration etc.). And then the atomic recombination coefficient for material surfaces can be calculated by the axial distribution of the neutral atomic concentration. In the simulation, a hybrid Monte Carlo/fluid hybrid model is developed to study the plasma generation, transport and interaction with the material. The rationality of the results will be verified by the comparison between the experiment diagnostics and the model predictions. This project will focus on the variation of atomic concentration with the gas flow, gas pressure and input power. We expect that the results would provide the necessary support to optimize the heat resistance of the spacecraft surface materials.

本项目针对平面线圈感应耦合等离子体（ICP）氧气、氮气、空气及与氩气混合放电，研究在高功率、小流量、较高气压条件下等离子体的产生和输运过程，同时研究等离子中原子在材料表面上的再复合行为。实验上利用Langmuir探针、光探针、光谱仪、ICCD等诊断工具测量不同工作条件下的等离子体状态参数（等离子体密度、温度、发光强度及原子浓度等），并根据中性原子浓度的轴向分布计算材料表面的再复合系数。理论上采用流体力学/蒙特卡洛混合模型计算的方法模拟等离子体的产生、输运以及与材料相互作用的过程。最后实验测量结果和理论模拟结果相互验证。本项目将重点探讨中性气体流量、工作气压以及放电功率等因素对等离子体中氧（氮）原子浓度的影响，以期望研究结果能对航天器表面材料耐热行为的优化提供必要的参数选择依据。

本项目用射频感应耦合等离子体源产生的氧等离子体来模拟太空稀薄氧环境。通过实验诊断测量和理论计算模拟研究了工作气压、射频功率、混合气体比例等对等离子体状态参数（等离子体密度、温度、发光强度、氧原子密度（模拟计算）等）的影响。本想目主要研究了射频感应耦合等离子体的Ar/O2放电等离子体的产生和输运过程，其次研究了射频放电中的偏压对等离子体的影响，最后研究了脉冲调制射频放电中的脉冲控制参数对等离子体的影响。结果发现：在混合气体放电中，氧气含量的多少对等离子体中的电子密度、电子能量分布函数的影响显著；气压的增加电子密度先上升后下降，电子能量分布函数的低能电子峰先增加后基本不变，而高能尾持续收缩。在偏压效应的研究中，偏压对主等离子体密度的影响是随着偏压的增加先下降后增加。在脉冲调制射频放电中，脉冲的占空比和重复频率对等离子体中的化学活性影响显著。实验结果和理论计算结果进行了相互验证，获得了可靠的数据，发表了一定数量的SCI论文。综上所述，通过控制混合气体的比例、工作气压、射频功率、脉冲重复频率和占空比等外界参数可以有效的控制等离子体中的氧原子浓度，从而能够为研究航天器表面材料耐热行为提供了可靠的氧原子实验环境。