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碰撞条件下多凹腔型感应耦合等离子体组合性质和反常趋肤效应的实验研究

陈志鹏

  本文研制了一种由多个碰撞条件下凹腔型射频感应耦合等离子体组合而形成的高密度,大面积均匀等离子体源。碰撞条件下的凹腔型感应耦合等离子体具有等离子体密度高的特性,但同时碰撞也限制了等离子体的扩散,破坏了其密度的均匀性。另一方面,碰撞条件下多个凹腔型射频感应耦合等离子体之间是独立的,而且多个凹腔型射频感应耦合等离子体之间会产生线性和非线性增强效应。因此我们将多个尺寸小巧的凹腔型射频感应耦合等离子体进行组合,来弥补碰撞条件下的密度不均匀性的缺点,研制出了的等离子体密度高达1018~1019m-3,面积为直径14cm,并可进一步扩展的等离子体源。 本文研究了不同放电参数下,多个碰撞条件下凹腔型射频感应耦合等离子体之间的非线性增强效应,并给出理论模型。非线性增强效应是指多个放电线圈同时放电产生的等离子体密度大于各个放电线圈单独放电产生的等离子体密度之线性和。实验表明,多个放电线圈之间的非线性增强效应与等离子体密度和放电线圈的个数密切相关,与放电线圈的位型也有关系,而对中性粒子的密度不敏感,同时电子温度在多个线圈同时放电时基本保持不变。在双凹腔型射频感应耦合等离子体组合实验中,非线性增强效应随单个放电线圈在中心处产生的等离子体密度呈非单调变化,当密度达到某一恰当值时,密度比率可以高达2;而在四凹腔型射频感应耦合等离子体组合实验中,非线性增强效应在本文实验参数范围内随单个放电线圈在中心处产生的等离子体密度呈单调变化,在密度最小时密度比率可以高达4。考虑多步电离而建立起来的包含线性损失的非线性多步电离模型能够很好的模拟实验中出现的非线性增强效应。这表明在碰撞条件下凹腔型射频感应耦合等离子体中存在多步电离的非线性效应,这种效应使得多个放电线圈同时放电时出现非线性叠加增强现象。 本文首次发现了碰撞条件下射频感应耦合等离子体中电磁波传输的反常趋肤效应。而反常趋肤效应和随机加热一直被认为是近似无碰撞射频等离子体中特有的现象。在本文的这部分工作中,首先详细介绍二维浸入式磁探针测量电磁场的技术问题,接着采用浸入式二维磁探针测量放电线圈周围的电磁场和传导电流分布。实验结果表明反常趋肤效应不仅仅在近无碰撞等离子体中存在,还同样存在于碰撞等离子体中。并且由于碰撞自由程和经典趋肤深度远远小于等离子体尺寸,第二电流层出现在等离子体主体区,而不是近似无碰撞环境下等离子体实验中的真空室壁附近。根据本文的实验环境,建立了一个用于描述碰撞等离子体中的反常趋肤效应的粘滞流体模型,其计算结果与实验结果符合的一致。 本文在对碰撞条件下多凹腔型射频感应耦合等离子体组合性质的进行研究的同时,还提出了两种针对碰撞条件下等离子体的诊断方法。其中一种是针对本文实验环境而引入的“带悬浮极的单探针”。在这部分中,首先介绍了静电单探针在诊断等离子体方面的应用和计算电子能量概率分布函数的方法,重点通过探针测量回路模型,分析了多种因素对探针曲线和电子能量概率分布函数测量的干扰。提出在碰撞条件下凹腔型射频感应耦合等离子体中单探针诊断主要遇到的问题是真空室壁处的等离子体鞘层电阻不可忽略,并以此改良了普通单探针结构,加入悬浮极组成“带悬浮极的单探针”以克服该问题,实验和模型结果都表明其效果显著。 除了静电探针诊断外,本文还利用电子和中性粒子弹性碰撞而发射出的连续光谱对等离子体进行了诊断。通过对连续谱辐射模型的简化,使得连续谱诊断方法变得易于操作并且可以独立测量碰撞条件下的电子温度和等离子体密度。实验中运用该方法对中等气压下射频感应耦合等离子体在不同放电参数(放电气压、放电功率)下的电子温度及密度进行了诊断,并将所得的结果与第二章中静电双探针测量的结果进行了比较。结果表明连续谱能够对中等气压下射频感应耦合等离子体中的电子温度进行很好的诊断,其结果与双探针测量结果基本一致。 特别值得提出的是,本文还以能量传递为主线,逐步地总结和讨论了凹腔型感应耦合等离子体中的电磁波与等离子体之间的能量耦合、等离子体的产生和消耗、等离子体的扩散和输运等过程,形成一套完整的感应耦合等离子体基础理论,并在此基础上介绍了几个常用的理论模型。由于这部分内容较为繁琐,故以附录形式给出。 本论文工作部分得到国家自然科学基金资助(Nos.10675121,10705028 and10605025),国家重点基础研究发展计划(No.2008CB717800)和国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项(No.20096B107000)。……   
[关键词]:碰撞;凹腔型感应耦合等离子体;组合;非线性增强效应;多步电离;反常趋肤效应;悬浮极;单探针;连续光谱
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学技术大学2010年