螺旋波等离子体低场峰的机理研究

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螺旋波是在磁化等离子体中传播、频率范围在电子回旋频率和离子回旋频率之间的一种电磁波。螺旋波等离子体源具有气体电离效率高、产生的等离子体密度高的特性,在半导体工业和等离子体推进器领域中有广泛应用前景。螺旋波等离子体密度通常随外加磁场线性增长,但是在低磁场下这种线性关系不成立,经常出现一种低磁场密度峰(即低场峰)。理解低场峰的产生机制不仅有助于了解等离子体特性,也有助于螺旋波等离子体源的应用和设计。本文从模拟和实验两方面研究了各种磁场分布下Boswell天线和M=-1半螺旋天线激发的等离子体放电和低场峰特性。研究主要分为三部分:首先,实验研究了均匀磁场下Boswell天线以及M=-1半螺旋天线激发的螺旋波等离子体特性,得到了外加磁场对等离子体密度、天线有效电阻以及辉光径向分布的影响。结果表明,在低磁场下(小于250G),Boswell天线以及M=-1半螺旋天线激发的螺旋波等离子体都出现了两个低场峰(即低场双峰),并出现相应的天线有效电阻峰。低场峰出现时,放电系统维持在波模式下,等离子体将主要产生在天线的近场区内以及放电管的边缘处。两种天线下,低场双峰产生与TG波相关。然后,实验研究了非均匀磁场中Boswell天线以及M=-1半螺旋天线激发的螺旋波等离子体的特性。结果表明,当非均匀磁场的最大值(B0P)位于由绝缘端板封闭的放电管一端或者与扩散腔相邻的一端时,可以获得“纯”的螺旋波模式等离子体,放电由行波形式(B0P位于由绝缘端板封闭的放电管一端)或者驻波形式(B0P位于放电管与扩散腔相邻的一端)的螺旋波通过碰撞或者非碰撞的加热方式产生的;Boswell天线下的天线有效电阻随磁场变化不大,而M=-1半螺旋天线下则出现天线有效电阻峰,峰的数量与B0P位置和磁场方向有关。B0P位于天线中心时,等离子体放电将由TG引起,并出现一个或两个电阻峰,依赖于天线结构和磁场方向。最后,利用二维的HELIC软件模拟研究了低磁场双峰特性。结果表明,均匀低磁场下,Boswell和M=-1天线都激发出了低场等离子体电阻双峰,且均由非共振转化所激发的TG波所引起。随着驱动频率增加,两个低场峰会向高磁场方向移动。放电管端板的导电性和天线的位置也影响等离子体放电和低场峰的特性。
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