螺旋波等离子体放电的数值研究
发布时间：2022-10-30 19:40
螺旋波等离子体源（Helicon Plasma Source-HPS）是一种高密度等离子体源,其在大规模半导体加工、高功率等离子体推进以及聚变材料相互作用等方面具有特殊的应用价值,并以独特的优势逐渐成为人们的研究关注的焦点。螺旋波等离子体的数值模拟对于理解表征电离气体（例如电参数）的不同物理量的行为是至关重要的。本文研究了工作频率为13.56MHz射频天线与腔体半径为0.075m的圆柱形等离子体的耦合,利用HELIC代码,研究计算了不同电子温度和气体压强分布条件下螺旋波等离子体的能量沉积和电流、电场径向分布特性,获得了温度和压强分布对放电特性的影响。得出径向电子温度呈正梯度时更有利于等离子体中心处的功率吸收,温度梯度类型对电场强度和电流密度分布影响不大。中性压强呈正梯度时增大了等离子体边缘处感应电场,并减弱了边缘处功率沉积,波能量耦合深度加深,更有利于中心处功率的耦合吸收。等离子体径向密度呈抛物线分布下,等离子体中心处和边缘处功率沉积较大,其中边缘处附近功率沉积尤为突出且明显高于高斯密度分布下的功率沉积;径向密度呈高斯分布下,等离子体边缘处电场强度较高,电流密度较小,射频波在边缘位置处...
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 螺旋波等离子体
1.1.2 电离机制
1.2 主要应用领域
1.2.1 推进技术
1.2.2 刻蚀
1.2.3 薄膜沉积
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 本文安排
第二章 等离子体与波相互作用理论
2.1 波形理论模型
2.2 色散关系
2.3 常用螺旋波天线
2.4 本章小结
第三章 径向温度和压强梯度对螺旋波等离子体能量分布和场型的影响
3.1 HELIC代码方法简介
3.2 HELIC代码模拟设定
3.3 温度梯度
3.3.1 温度梯度对功率沉积的影响
3.3.2 温度梯度对电场强度和电流密度的影响
3.4 压强梯度
3.4.1 压强梯度对功率沉积的影响
3.4.2 压强梯度对电场强度和电流密度的影响
3.5 本章小结
第四章 基于COMSOL的螺旋波等离子体源仿真模拟研究
4.1 COMSOL Multiphysics简介和建模注意事项
4.2 螺旋波等离子体放电数学模型
4.3 本章涉及的化学反应机理
4.4 计算模型
4.4.1 模型搭建
4.4.2 求解器设置
4.5 放电结果分析
4.5.1 天线功率对放电仿真结果的影响
4.5.2 气体压强对放电仿真结果的影响
4.5.3 轴向磁感应强度对放电仿真结果的影响
4.5.4 环形天线数目对放电仿真结果的影响
4.6 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
附录 A 电子碰撞关系
致谢
作者简介及在硕士学习期间取得的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]径向温度和压强分布对螺旋波等离子体能量分布和场型的影响[J]. 何超,吴东升,平兰兰. 中国科学技术大学学报. 2019(12)
[2]超低轨吸气式螺旋波电推进概念研究[J]. 任琼英,葛丽丽,郑慧奇,丁亮,李涛,周靖恒,唐振宇,彭毓川,赵华. 航天器环境工程. 2020(01)
[3]螺旋波电推进地面试验测试平台的设计[J]. 张燚,韩潇,顾苗,方嬿. 机械制造. 2019(10)
[4]螺旋波等离子体原型实验装置中天线的优化设计与功率沉积[J]. 平兰兰,张新军,杨桦,徐国盛,苌磊,吴东升,吕虹,郑长勇,彭金花,金海红,何超,甘桂华. 物理学报. 2019(20)
[5]氩气压力对螺旋波放电影响的发射光谱诊断及仿真研究[J]. 段朋振,李益文,张百灵,魏小龙,苌磊,赵伟灼. 光谱学与光谱分析. 2019(08)
[6]基于ISRU应用的电磁推进技术[J]. 赵大年,张天平,孙新锋. 真空与低温. 2019(03)
[7]螺旋波离子推力器关键技术研究[J]. 鱼伟东,张天平,温晓东,孙新锋. 真空与低温. 2019(02)
[8]澳大利亚国立大学等离子体推进研究[J]. 苌磊,段炼,胡馨月,姚建尧,胡建新,胡宁. 推进技术. 2018(03)
[9]螺旋波等离子体合成SiON薄膜及其特性[J]. 於俊,黄天源,季佩宇,金成刚,诸葛兰剑,吴雪梅. 科学通报. 2017(19)
[10]登陆火星飞船“推进系统”的遴选及其物理学性能[J]. 宋知沆,刘玉颖. 物理与工程. 2016(01)
博士论文
[1]电推进中螺旋波放电等离子体数值模拟与光学诊断研究[D]. 杨雄.国防科技大学 2017
硕士论文
[1]螺旋波等离子体活性气体放电特性研究[D]. 季佩宇.苏州大学 2018
[2]螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机设计[D]. 郝剑昆.大连理工大学 2015
本文编号：3699362
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 螺旋波等离子体
1.1.2 电离机制
1.2 主要应用领域
1.2.1 推进技术
1.2.2 刻蚀
1.2.3 薄膜沉积
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 本文安排
第二章 等离子体与波相互作用理论
2.1 波形理论模型
2.2 色散关系
2.3 常用螺旋波天线
2.4 本章小结
第三章 径向温度和压强梯度对螺旋波等离子体能量分布和场型的影响
3.1 HELIC代码方法简介
3.2 HELIC代码模拟设定
3.3 温度梯度
3.3.1 温度梯度对功率沉积的影响
3.3.2 温度梯度对电场强度和电流密度的影响
3.4 压强梯度
3.4.1 压强梯度对功率沉积的影响
3.4.2 压强梯度对电场强度和电流密度的影响
3.5 本章小结
第四章 基于COMSOL的螺旋波等离子体源仿真模拟研究
4.1 COMSOL Multiphysics简介和建模注意事项
4.2 螺旋波等离子体放电数学模型
4.3 本章涉及的化学反应机理
4.4 计算模型
4.4.1 模型搭建
4.4.2 求解器设置
4.5 放电结果分析
4.5.1 天线功率对放电仿真结果的影响
4.5.2 气体压强对放电仿真结果的影响
4.5.3 轴向磁感应强度对放电仿真结果的影响
4.5.4 环形天线数目对放电仿真结果的影响
4.6 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
附录 A 电子碰撞关系
致谢
作者简介及在硕士学习期间取得的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]径向温度和压强分布对螺旋波等离子体能量分布和场型的影响[J]. 何超,吴东升,平兰兰. 中国科学技术大学学报. 2019(12)
[2]超低轨吸气式螺旋波电推进概念研究[J]. 任琼英,葛丽丽,郑慧奇,丁亮,李涛,周靖恒,唐振宇,彭毓川,赵华. 航天器环境工程. 2020(01)
[3]螺旋波电推进地面试验测试平台的设计[J]. 张燚,韩潇,顾苗,方嬿. 机械制造. 2019(10)
[4]螺旋波等离子体原型实验装置中天线的优化设计与功率沉积[J]. 平兰兰,张新军,杨桦,徐国盛,苌磊,吴东升,吕虹,郑长勇,彭金花,金海红,何超,甘桂华. 物理学报. 2019(20)
[5]氩气压力对螺旋波放电影响的发射光谱诊断及仿真研究[J]. 段朋振,李益文,张百灵,魏小龙,苌磊,赵伟灼. 光谱学与光谱分析. 2019(08)
[6]基于ISRU应用的电磁推进技术[J]. 赵大年,张天平,孙新锋. 真空与低温. 2019(03)
[7]螺旋波离子推力器关键技术研究[J]. 鱼伟东,张天平,温晓东,孙新锋. 真空与低温. 2019(02)
[8]澳大利亚国立大学等离子体推进研究[J]. 苌磊,段炼,胡馨月,姚建尧,胡建新,胡宁. 推进技术. 2018(03)
[9]螺旋波等离子体合成SiON薄膜及其特性[J]. 於俊,黄天源,季佩宇,金成刚,诸葛兰剑,吴雪梅. 科学通报. 2017(19)
[10]登陆火星飞船“推进系统”的遴选及其物理学性能[J]. 宋知沆,刘玉颖. 物理与工程. 2016(01)
博士论文
[1]电推进中螺旋波放电等离子体数值模拟与光学诊断研究[D]. 杨雄.国防科技大学 2017
硕士论文
[1]螺旋波等离子体活性气体放电特性研究[D]. 季佩宇.苏州大学 2018
[2]螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机设计[D]. 郝剑昆.大连理工大学 2015
本文编号：3699362
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