低气压射频放电中气体压强对放电特性的影响

摘要

因工业进步、生活水平改善，使人们在工作生活中对材料多样性的需求与日俱增，为了满足抗磨、耐热、高温和高硬度等多种要求，就需要不断研制出各种符合人们所需的新型材料，考虑到成本及各方面因素人们尝试在一般的材料上面进行表面处理来提高其应用性能，避免腐蚀和磨损等常见问题，大幅度改善材料的使用时间。材料表面改性技术是目前材料研究中的热点，它可以在一些材料普通的金属基材表面上形成合金层，替代价格昂贵的合金材料，明显降低了生产中所用到的成本。 因性能优越和价格低廉等优点，等离子体表面改性处理已经成为科学研究领域的一个重要的研究方向，在金属材料和半导体材料表面改性领域应用非常广泛。材料表面改性主要采用低温等离子体表面改性技术。低气压射频辉光放电很容易产生等离子体，并且耗能低。因此，很多材料表面改性都采用低气压射频辉光放电技术。在这种气体放电中，气体压强对放电特性有着至关重要的影响。系统深入地研究气体压强对放电特性的影响对提高其应用效率起着至关重要的作用。对这种气体放电的放电特性进行数值模拟研究是一个方便、有效的途径。 基于等离子体流体理论和漂移扩散近似，本文对低气压射频辉光放电产生的等离子体建立了一维流体模型。对所建立的模型在空间上采用交错均匀网格、时间上采用隐式的有限差分格式，使得模型的微分方程初边值问题变成了一个代数方程组。数值求解了相应的方程组，得到了相应数值结果。通过对所得到的数值结果的分析，来研究气体压强对放电特性的影响。本文主要分两部分来研究低气压射频放电中气体压强对放电特性的影响。一方面，在放电达到稳态时，研究了气体压强对周期平均的离子密度、电子密度、电子温度、电势、电场等物理量空间分布的影响。结果表明：在等离子体区域内，随着气体压强从0.1托增加到0.4托，离子密度和电子密度也增加，离子密度和电子密度基本相等；在鞘层区域内，离子密度大于电子密度。在整个放电区域内，随气体压强从0.1托增加到0.4托，电子温度在减小，电势随气体压强的增加而增加，在鞘层区内电子温度高于等离子体区域内的电子温度。另一方面，研究了气体压强对放电演化特性的影响。研究中分别在驱动鞘层区域、接地鞘层区域和等离子体区域中各取一个点，给出了这三个点的离子密度、电子密度、电子温度、电势、电场等物理量分别在气体压强为0.1、0.2、0.3、和0.4托时随时间演化的数值结果。详细分析和讨论了气体压强对放电演化特性的影响。结果表明，放电过程可以分为三个阶段：第一个阶段，等离子体密度较小，但增长速度比较快，被称为快速增长阶段；第二个阶段，等离子体密度较大，但增长速度比较缓慢，被称为缓慢增长阶段；第三个阶段，等离子体密度在某一固定范围内振荡，被称为稳态阶段，随着气体压强从0.1托增加到0.4托，快速增长阶段变长，达到放电稳态阶段的时间变长。另外，在驱动鞘层和接地鞘层内，等离子体密度产生振荡，振荡的频率与驱动电源频率相同，振荡的幅度随着气体压强的增加而增加；电子密度的振荡幅度比离子密度的振荡幅度大。在放电区域中心处，等离子体密度在放电过程中逐步增加最后达到稳态，没有振荡。分别在快速增长阶段和稳态阶段，分析了等离子体密度、电子温度和电势等物理量在不同区域、不同压强下，随时间演化的特性。

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