伴有二次電子發(fā)射的磁化等離子體鞘層結構特性

　　建立了包括電子、離子以及器壁發(fā)射二次電子的磁化等離子體鞘層流體模型,采用四階龍格庫塔法數(shù)值研究了伴有二次電子發(fā)射的磁鞘結構特性。模擬結果顯示二次電子發(fā)射對于弱磁等離子體鞘層中的離子密度影響較大,而對于磁場較強的等離子體鞘層,鞘層中離子密度分布主要由磁場來決定。磁場的存在可以促進器壁電子的發(fā)射,磁場的增加或二次電子發(fā)射系數(shù)的增加都將使得鞘層厚度的減小,同時將導致沉積到器壁的離子動能流發(fā)生變化,從而直接影響器壁材料的性能。

　　在等離子體材料表面改性、合成薄膜及刻蝕等工藝過程中, 等離子體鞘層的研究始終是一個非常重要的問題。等離子體鞘層的形成主要是由于組成等離子體中的帶電粒子的速度不同, 而在器壁附近形成的非電中性區(qū)域。鞘層的特性, 如鞘層內的電場分布、帶電粒子密度分布、鞘層度及入射到鞘層器壁表面的帶電粒子能量分布等都直接影響著等離子體的應用[1-9] 。

　　如今, 對于電子、離子成分的磁化等離子體鞘層的研究已經(jīng)比較系統(tǒng)[5-13] 。1982 年Chodura[5]首先在沒有考慮電離和碰撞的情況下利流體模型研究了斜磁場下的鞘層特性, 研究結果顯示磁預鞘和鞘層寬度依賴磁場的角度, 而等離子體和器壁之間總的電勢差不依賴于磁場的大小和角度。2001 年Sato[7] 通過實驗研究認為對于磁化等離子體鞘層中的外加磁場可以粗略分為弱磁場、強磁場和極強磁場。2002 年Bornali[8]通過實驗進一步研究了在弱磁場的情況下, 磁場強度的增強(66 y 388) @ 10- 4T和磁場角度的減小對于鞘層結構特性的影響。2008年鄒秀等[10-12] 使用流體模型, 分析了等離子體鞘層的玻姆判據(jù)與磁場有關, 并且討論了斜磁場情形下的鞘層結構, 得出在適當?shù)臈l件下, 洛侖茲力的作用使離子在某些區(qū)域產(chǎn)生相對聚集, 離子密度分布產(chǎn)生波動的結果。

　　但是在薄膜沉積以及磁場等離子體探針理論等問題的研究中, 由于負離子、塵埃粒子等不同成分帶電粒子的出現(xiàn), 使得磁化等離子體的鞘層特性受到不同程度的影響, 這些在文獻[13-15] 中都做了一定的研究。近年來, 在推進器、磁場探針理論等應用中由于器壁材料的情況, 鞘層中的高能電子與器壁料撞擊會使得器壁發(fā)射出大量的二次電子, 二次電子發(fā)射對非磁化等離子體鞘層的研究已經(jīng)比較充分, 器壁二次電子發(fā)射系數(shù)增加, 鞘層空間電勢升高, 電子離子密度增加[16-20] 。但是隨著實驗和理論研究的深入, 對伴有二次電子發(fā)射的磁化等離子體鞘層的研究已經(jīng)逐漸成為一個新的研究方向[21-23] 。2000 年Tskhakaya[21] 采用動力學模型討論了在磁化等離子體鞘層中二次電子發(fā)射的情況,在磁場大小和角度一定的情況, 得出發(fā)射系數(shù)增加,鞘層內的快速電子作用減弱, 到達器壁的電子能量流跟著增加。2011 年Yevgeny 等[ 23] 進一步通過實驗闡述了鞘層中的電子在電磁場的作用下與器壁發(fā)生碰撞的情況。盡管上述一些文獻已經(jīng)采用動力學模型對含有二次電子發(fā)射的磁化等離子體鞘層做了一定的研究, 但二次電子發(fā)射對不同磁化程度等離子體鞘層的影響研究還不夠深入。本文將建立一個包含二次電子發(fā)射的磁化等離子體鞘層的流體模型,通過數(shù)值模擬研究不同發(fā)射系數(shù)對磁化程度不同的層結構產(chǎn)生的影響, 所得結果對鞘層特性以及器壁材料等相關實驗參數(shù)的選取有一定的指導意義。

　　本文主要研究了伴有器壁發(fā)射二次電子的磁化等離子體鞘層結構特性。通過模擬發(fā)現(xiàn), 在伴有二次電子發(fā)射的磁化等離子體鞘層中, 二次電子和磁場的存在均使得鞘層的厚度變小。對于弱磁化等離子體來說, 二次電子發(fā)射對鞘層中的離子密度分布影響比較顯著, 而隨著鞘層中磁場的增強, 離子分布逐漸由磁場決定。同時磁場的存在, 促進了器壁的二次電子發(fā)射。此外, 二次電子發(fā)射系數(shù)和鞘層磁場的增大, 將導致沉積到器壁的離子動能流降低, 從而增強等離子體器壁材料的使用性能。

　　關鍵詞：等離子體;鞘層;二次電子發(fā)射;磁場

　　Abstract: The magnetized plasma sheath was modeled in fluid dynamics,with proper considerations given to the electrons,ions and secondary electron emitted form the wall.The impacts of the secondary electron emission(SEE) on the structure of the magnetized plasma sheath were simulated based on the forth-order-Rung-Kutta method.The simulated results show that the SEE significantly affects the weakly magnetized plasma sheath,and that the ion density distributions in the sheath of the strongly magnetized plasma depend on the magnetic field.Besides,the magnetic field results in an increase of the SEE.Interesting finding was that the width of the plasma sheath decreased with an increase of either the magnetic field or the coefficient of the SEE.Depending on the magnetic field and SEE,the bombardment of the impinging ions and electrons continuously damages the walls of the vacuum chamber.

　　Keywords: Plasma,Sheath,Secondary electron emission,Magnetic field

　　基金項目: 國家自然科學基金項目(10875024、10975026和11005025)資助項目;; 遼寧省教育廳高校科研基金資助項目(2009A047);; 國家重點基礎發(fā)展研究計劃(2009GB105004和2009GB106002)資助項目;; 安徽省高等學校優(yōu)秀青年人才基金資助項目(2012SQRL116)

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