工作气压对多脉冲鞘层动力学行为的影响

分别采用低压非稳态扩散流体模型和碰撞流体模型描述了等离子体浸没离子注入平面靶表面过程中等离子体回复扩散和鞘层演化行为,通过数值求解两流体模型研究了不同工作气压下多脉冲鞘层的时空演化动力学特征。计算结果表明,在连续脉冲作用下,开始几个脉冲内的注入离子流和离子碰撞能量较高,几百微秒内迅速降低并达到一个稳定值。多个脉冲作用后的离子注入参数稳定值比初始一个脉冲内的结果更准确,更具理论指导意义。工作气压对初始等离子体密度分布、注入离子流和离子碰撞能量影响显著。较低的工作气压无论对提高离子注入剂量还是离子碰撞能量都是十分有利的。     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真——(Ⅱ)工作气压的影响

模具表面改性对提高模具使用寿命和生产率有着十分重要的意义。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo colli-sion模型对不同气压下等离子体离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学进行研究。考察了气压变化对电势分布、离子运动状态及凹模型腔内表面离子注入剂量、能量和角度分布的影响。计算结果表明随着气压的上升,凹模周围的鞘层厚度变薄;随气压上升,凹模型腔底部和顶部端面离子注入剂量和平均注入能量下降,在型腔侧壁上,离子注入剂量和平均注入能量先上升后下降。注入到型腔侧壁和凹模顶部端面上的离子平均注入角度随气压上升而趋向于垂直入射,型腔底部平均注入角度随气压上升略有增大。研究结果表明通过引入一定的碰撞(变化气压)来改善剂量和能量的均匀性是可行的。     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真—(Ⅰ)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究。考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响。结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加。脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°。当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的。从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降。     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真-(I)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视.本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究.考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响.结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加.脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°.当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的.从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降.     

电感耦合等离子体离子注入内表面的数值仿真研究

本文采用Particle-in-cell模型对采用电感等离子体离子注入处理管内表面的动力学过程进行数值仿真研究,考察了电感线宽对管内电势分布、鞘层重叠、离子平均注入能量、剂量和角度等的影响。计算结果表明随着电感线宽的增加,电感线圈对等离子体鞘层扩展的钳制作用增强,管内的鞘层重叠系数下降,电感内的离子消耗速度下降。在鞘层内电场力的作用下,离子会发生聚集,离子聚集点的位置随着电感线宽的增加向外移动。研究结果还表明通过增加电感线宽可以进一步提高管内表面的离子平均注入能量。离子注入以接近垂直的角度注入到管内表面,虽然电感线圈会产生阴影效应,但管内表面的阴影可以通过管与电感线圈的相对运动来消除。     

两种正离子对磁化等离子体鞘层中尘埃颗粒的影响

建立了包含两种不同种类正离子的磁化等离子体鞘层的流体模型,通过四阶龙格库塔法数值模拟了含有两种不同种类正离子对等离子体鞘层中尘埃粒子的影响.结果表明对于含有He+和Ar+的稳态等离子体来说,随着离子温度的升高和Ar+密度的增加,尘埃粒子充电所带电量越多;尘埃密度越高,其带电量越低.此外,对于带有一定负电的尘埃粒子来说,离子的温度、鞘边Ar+的含量以及鞘层中离子与中性粒子的碰撞对鞘层中尘埃粒子的密度和速度都产生一定的影响.     

方管内表面等离子体离子注入动力学GPU-PIC仿真

内表面改性近年日益受到人们重视。本文采用基于Graphic Processing Unit(GPU)的Particle-in-cell(PIC)模型对方形管内表面的离子注入动力学过程进行数值仿真研究。结果表明在注入过程中,辅助地电极周围形成离子空穴,随时间延长,离子空穴发生交联并不断扩展,直至所有离子注入到方管内壁。离子空穴的形成和扩展使得在管内部形成离子密度波,密度波的传播速度随时间增加。由于等离子体鞘层的不均匀重叠使得管内的初始鞘层厚度分布不均,其中位于拐角附近的鞘层较厚,从而又导致了方管内壁周向上的注入剂量和能量分布存在不均匀性,内壁平面附近位置的注入剂量和注入能量均相对较大,而拐角附近的离子注入剂量和能量最小。本文采用GPU加速PIC的算法取得了高达90的加速比,极大缩短了等离子体粒子模拟的计算时间。     

球心处有附加电极的半圆形容器等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化

本文利用两维流体模型研究了半圆形容器在放置共心零电位附加电极情况下,等离子体源离子注入的离子鞘层时空演化动力学过程.考察了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布,计算了容器内外表面的离子束流密度分布和注入剂量分布随时间的变化规律.研究结果显示,容器内表面附近鞘层扩展到附加电极后,其中的离子逐渐都注入到容器内表面、电场分布逐渐趋于稳定.同时,在容器内表面上,离子注入剂量不再增加.     

真空断路器弧后鞘层发展过程仿真分析

以真空断路器弧后鞘层发展过程为对象,采用等离子体流体力学模型,求解电子、离子密度和平均电子能量的漂移扩散方程和耦合电场的泊松方程,引入粒子间碰撞反应,仿真分析其弧后介质恢复变化和鞘层发展阶段电子和离子的空间分布、密度分布以及间隙电势分布。采用对比分析法,研究不同初始条件对鞘层发展的影响,结果表明:在保持其余参数不变的条件下,暂态恢复电压(TRV)斜率和间隙轴向长度均与鞘层发展速度呈正相关,初始等离子体密度和弧后金属蒸气压强均与鞘层发展速度呈负相关。     

长方体三维工件的高度变化对等离子体离子注入动力学影响研究

采用三维PIC模型仿真研究了等离子体浸没离子注入过程中工件高度变化对鞘层扩展动力学和离子注入效果的影响。模拟结果表明,随着工件高度减小,中心水平截面内鞘层扩展速度明显下降,鞘层最终尺寸也明显减小。随着工件高度减小,工件上表面的注入剂量峰幅值明显增大,表面注入剂量均匀性则显著下降。随着工件高度减小,工件上表面的离子垂直入射面积和高能离子注入面积略有减小。这是由于工件高度减小造成鞘层曲率半径减小,弯曲的鞘层增大了离子聚焦现象将更多离子聚焦注入到工件边角附近位置。随着工件高度减小工件侧壁上的注入剂量峰幅值明显增大,而且工件棱线上的剂量数值也显著增大,且均匀性更好。     

离子成分比对等离子体浸没离子注入圆柱形介质管内表面鞘层演化特性的影响

采用一维和双离子自洽流体模型研究了等离子体浸没离子注入圆柱形聚对苯=甲酸乙=醇酯介质内表面的离子鞘层动力学.在模型中,考虑工作气体为氮气时离子成分为氮原子离子N+和分子离子N2+.计算结果表明,不同的离子成分比具有不同的鞘层演化特性,氮原子离子含量高会导致严重的充电效应.在实际工艺中,可通过调整相关参数以降低原子离子N+的成分以抑制充电效应.     

等离子体浸没离子注入的二维元胞粒子法计算机模拟与剂量分布研究

采用二维元胞粒子模型（PIC），模拟了一个完整脉冲时段内，等离子体浸没离子注入平板靶的过程。重点研究了等离子体鞘层的时空演化规律，以及入射离子流密度、入射离子角度与能量的分布，由此得到了注入离子剂量在靶表面的分布。模型结果表明：等离子体鞘层的扩展先快后慢，且形状由椭圆柱形向圆柱形演化，对靶的保形性逐渐变差；注入离子剂量在靶表面的分布不均匀，在边角附近出现峰值；同时，在得到的入射离子信息基础上，对注入离子在改性层中的浓度深度分布研究表明，在靶的不同位置注入的离子在改性层中的浓度深度分布有显著差别，在靶边角处，注入离子的保留剂量很低，投影射程浅，浓度深度分布展宽较窄。     

等离子体浸没离子注入球形靶的鞘层尺度

对于等离子体浸没离子注入（PIII）技术,球形靶鞘层尺度预测对真空室设计,批量处理研究先进是十分有用的,但由于球形靶鞘层Child-Langmuir定律数学表达的非线笥使得工程应用较为困难,本文对球形靶的鞘层尺度进行了数值求解,讨论了注入参数对鞘层尺度的影响,计算结果表明,鞘层厚度（包括离子阵鞘层和稳态鞘层）随球体半径或注入电压增加而增加,随等离子体密度增加而减小,但对于不同的参数区间,鞘层特性对参数的变化表现出不同的敏感性,当离子体密度较高,注入电压较低时,稳态鞘层厚度对于靶体半径的变化有不敏感,相反鞘层厚度对靶体大小变化较为敏感,虽然平面靶与球形靶的离子辄鞘层尺度比值与等离子体密度及球体半径有关,但平面靶稳态鞘层尺度总是大于球形靶的,这对于实际的PIII应用具有重要的指导意义。     

等离子体浸没离子注入球形靶的鞘层尺度

对于等离子体浸没离子注入(PIII)技术,球形靶鞘层尺度预测对真空室设计、批量处理研究等是十分有用的。但由于球形靶鞘层Child-Langmuir定律数学表达的非线性使得工程应用较为困难。本文对球形靶的鞘层尺度进行了数值求解、讨论了注入参数对鞘层尺度的影响。计算结果表明,鞘层厚度(包括离子阵鞘层和稳态鞘层)随球体半径或注入电压增加而增加,随等离子体密度增加而减小。但对于不同的参数区间,鞘层特性对参数的变化表现出不同的敏感性。当等离子体密度较高、注入电压较低时,稳态鞘层厚度对于靶体半径的变化极不敏感。相反鞘层厚度对靶体大小变化较为敏感。虽然平面靶与球形靶的离子阵鞘层尺度比值与等离子体密度及球体半径有关,但平面靶稳态鞘层尺度总是大于球形靶的。这对于实际的PIII应用具有重要的指导意义。     

伴有二次电子发射的磁化等离子体鞘层结构特性

建立了包括电子、离子以及器壁发射二次电子的磁化等离子体鞘层流体模型,采用四阶龙格库塔法数值研究了伴有二次电子发射的磁鞘结构特性。模拟结果显示二次电子发射对于弱磁等离子体鞘层中的离子密度影响较大,而对于磁场较强的等离子体鞘层,鞘层中离子密度分布主要由磁场来决定。磁场的存在可以促进器壁电子的发射,磁场的增加或二次电子发射系数的增加都将使得鞘层厚度的减小,同时将导致沉积到器壁的离子动能流发生变化,从而直接影响器壁材料的性能。     

聚变等离子体鞘层能量传输系数分析

对于磁约束聚变装置来说,可以用离子和电子的鞘层能量传输系数来预测和计算到达面向等离子体部件(PFC)的等离子体能量通量。文章推导并详细分析了悬浮态和非悬浮态的等离子体鞘层区域能量传输系数关系式。结果表明此系数随着边界等离子体的参数的变化而变化。并且当探针处于负偏压态时,探针面处的能量传输系数随着负偏压的增大而近似线性的增大。同时,也对发生在鞘层区域的能量转移过程进行了仔细分析,表明鞘层对于穿越的电子和离子分别相当于能量的冷却和加热装置。     

等离子体源离子注入同轴圆柱电极间的鞘层模型

由等离子体源离子注入过程中圆筒零件与内电极构成的同轴圆柱电极间的鞘层扩展模型，推导出鞘层扩展前沿与扩展时间函数关系的微分方程，并利用二次样条插值法求出其数值解。这一结果可用来计算圆筒零件等离子体源内表面离子注入中每一脉冲时间内鞘层的扩展宽度，并依此计算出相应的注入剂量。     

等离子体鞘层中朗缪尔探针吸收离子电流理论的数值模拟

为了研究朗缪尔静电圆柱型探针半径对等离子体密度测量的影响以及鞘层空间电势分布等特性,在非热平衡条件下采用等离子体鞘层中探针吸收离子模型,对朗缪尔静电探针周围等离子体鞘层空间中的修正玻姆电流、OML理论鞘层空间电势分布、ABR理论鞘层空间电势分布、BRL理论鞘层空间电势分布以及三种理论对应的探针吸收离子电流进行了系统的数值模拟研究。计算结果显示,电子温度和等离子体密度对ABR理论鞘层空间电势分布存在显著影响,离子温度小于0.1倍电子温度时离子的温度效应对BRL理论鞘层空间电势分布的影响可以忽略;探针半径为1~3倍德拜长度时,OML理论、ABR理论及BRL理论预测的归一化离子电流近似相等,即三种理论给出近似相等的等离子体密度。     

等离子体浸没离子注入(PIII)过程中初始离子阵鞘层尺度内各物理量的时空演化

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种较新的、廉价的、非视线的技术.靶体被浸没在等离子体中,等离子体中的离子在靶体负脉冲偏压的作用下注入靶体而实现材料的表面改性.为了描述等离子体浸没离子注入过程,我们引用了一维粒子模型(PIC)对其进行了数值模拟,该模型通过求解空间电势的Poisson方程,电子的Bolzmann分布以及离子在网格中受力运动的Newton运动方程来完成.本文重点研究了一个初始离子阵鞘层内电势、离子浓度、离子注入靶体的速度和动能以及离子流密度的时空演化规律.     

等离子体基离子注入菱形靶鞘层扩展的流体动力学模拟

利用流体动力学模型,研究了围绕菱形靶的等离子体鞘层扩展,通过改变靶的形状,考察了不同角度外角对鞘层的时空演化及等离子体参量的影响。结果表明,外角愈尖锐,鞘层扩展速度愈慢,而参考平面处鞘层扩展速度最快,因而使鞘层有向圆柱形扩展的趋势,尽管尖锐的外角处电荷密度高,会吸引较多的离子轰击该处,但非垂直入射会显著降低离子入射剂量。