（等离子体物理专业论文）微波诱导球等离子体的能量吸收的研究.pdf

o o 复坠基兰煎圭兰键盘墓3 微波诱导球等离子体能量瑷教的研究 摘要 摘要 ( 微波诱导等离子体的能量吸收是微波诱导等离子体的一个重要过程对微波 与等离子体相互作用的内部过程分析中，将微波作为平面电磁波来考虑，并把等 离子体作为疏松的介质来处理切一 本论文主要考虑等离子体是空间均匀分布的，弱电离的和以碰撞为主的等离 子体，并且等离子体受外加确定的电场作用，从而对等离子体的能量吸收作用过 程的主要性质有一个全面的阐述另外论文又从物理学观点分析，等离子体内电 子的行为在等离子体能量吸收过程中有至关重要的作用，电子的行为表现为周期 性电场对电子的作用和电子的能量和动量通过与气体原子分子碰撞损失的联合 效应因此论文中得出的结论：等离子体内的电子显性地受决定于两个频率：外加 微波场的频率和电子与等离子体内气体原子分子的碰撞频率 文章中还讨论了球形微波诱导等离子体，通过对随时间变化的周期性交量用 等效值来表示，以及其它的一些简化，得到了球形微波诱导等离子体能量吸收的 一些主要性质球形微波诱导等离子体的的击穿过程通过电子的动力学理论也进 行了阐述论文进一步讨论了一些实验结果和有关的数值模拟结果，通过这些结 果对微波硫灯的设计提出指导性建议最后提出了对这一研究方向有发展潜力的 实验方法和理论的探讨卜厂 关键词：微波诱导等离子体、能量吸收、碰撞频率 中团法分类号：t m 9 2 3 0 1 ；领娶兰；誓葫雹歹乃 q o s t u d y o nt h ee n e r g y a b s o r p t i o n o f s p h e r i c a l m i e r o w a v ei n d u c e dp l a s m a a b s t r a c t t h e e n e r g ya b s o r p t i o n f r o mm i c r o w a v ef i e l di s a n i m p o r t a n tp r o c e s s i nt h e m i c r o w a v ei n d u c e d p l a s m a s t h e m i c r o w a v eh a sb e e nt r e a t e d a s p l a n e e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，a n d t h ep l a s m ah a sb e e nt r e a t e da sl o o s em e d i u m ，t os i m u l a t e t h ei n t e r p l a ya c t i o nb e t w e e nt h e mi nt h ep l a s m a s i nt h et h e s i s ，i no r d e rt og i v ea no v e r v i e wo nt h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t i e st h e m o r ec o n s i d e r a t i o n sr e f e rt o s p a t i a l l yh o m o g e n e o u s ，w e a k l yi o n i z e d ，c o l l i s i o n d o m i n a t e dp l a s m a su n d e rt h ea c t i o no fac e r t a i ne l e c t r i cf i e l d f r o mt h ep h y s i c a lp o i n t o fv i e w ，t h eb e h a v i o ro ft h ee l e c t r o ni nt h ep l a s m a sh a sp l a y e da ns i g n i f i c a n tr o l ei n t h e e n e r g ya b s o r p t i o no fp l a s m a s ，r e s u l t i n go fac o m p l e xi n t e r p l a y b e t w e e nt h e p e r i o d i cf i e l da c t i o no n t h ee l e c t r o na n dt h ed i s s i p a t i o no f e n e r g ya n dm o m e n t u mi n e l e c t r o nc o l l i s i o n sw i t hg a sa t o m s m o l e c u l e s t h es p e c i f i cr e s p o n s eo ft h ee l e c t r o ni s t h e r e f o r em a i n l yd e t e r m i n e db yt h et w of r e q u e n c i e s ：t h eg i v e nm i c r o w a v ef r e q u e n c y a n dt h ef r e q u e n c yo f t h ec o l l i s i o n so f e l e c t r o nw i t hg a sa t o m s m o l e c u l e s t h e s p h e r i c a l m i c r o w a v ei n d u c e d p l a s m a s h a v e b e e nf o c u s e d o n ，w i t ht h e a p p r o x i m a t i o n o ft h e t i m e d e p e n d e n t v a l u e sa st h ee f f e c t i v ev a l u e sa n do t h e r s i m p l i f i c a t i o n s ，t h em a i na s p e c t so ft h es p h e r i c a lp l a s m a sh a sb e e nr e v e a l e d t h e p r o c e s so ft h eb r e a k d o w no fs u c hk i n dp l a s m a sh a sa l s ob e e nd i s c u s s e dw i t ht h e e l e c t r o nk i n e t i c s t h e o r y s o m ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n o u t c o m e sh a v eb e e nr e l a t e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h e t h e o r yh a sb e e nu s e di nt h ed e s i g n o fm i c r o w a v es u l f u rl a m p s s o m ep r o m i s i n gm e t h o d sf o rt h i s p r o j e c th a v eb e e n p r e s e n t e da tt h ee n d k e y w o r d ：m i c r o w a v ei n d u c e d p l a s m a ，e n e r g ya b s o r p t i o n c o l l i s i o n f r e q u e n c y 2 墓坠基芝亟t 兰t l 监甚3 搬j 斑诱导璩等离子体酶能| 吸杖躺研究 序言 微波诱导等离子体是通过高频( f 3 0 0 m i l z ) 电磁场来激发和维持的，它与 通常的直流或低频等离子体在放电特性方面有很大的不同随着人们对微波诱导 等离子体的不断深入的认识，它的应用领域也逐渐广泛目前微波诱导等离子体 不但得到了广泛的应用，而且表现出广阔的应用前景。 微波放电研究的回顾 二次世界大战中对雷达技术的研究促进了微波技术的提高，使微波放电的成 为当时新兴的研究课题。在二十世纪四十年代晚期和五十年代初期，微波放电的 探索工作得到大规模的开展，并在实验和理论工作上均取得一定的收获。当时的 代表人物是m 1 t 的w p a 1 1 is ，s c b r o w n ，d j r o s e 和a d m c d o n a l d ，工作 主要集中在微波放电的产生和放电现象描述上，随后几年m a d o n a i d 对微波击穿 作理论上的概括“1 微波放电的研究再次引起人们的兴趣是六十年代晚期，因为那时微波等离子 体已经得到了广泛的应用，应用领域主要包括了材料处理，化学分析，光谱学， 激光工程和火箭推动等。但在实际应用中碰到最大的困难是微波等离子体只能在 很小的区域内产生，使其的应用受到空间位置的限制。直到七十年代才发现了解 决方法，可以采用外加磁场( e c r ) 或传播电磁场( t w d ) 的方法来扩大放电区域 “1 。m o i s a n 采用行波管首先制造出结构简单，效率高的大面积微波等离子体”3 ， 此后微波等离子体得到迅猛发展 由于放电区域的突破，微波等离子体的应用范围逐渐扩大。到八十年代中期， 人们对微波等离子体的理论研究工作得到了较为深入的开展“。1 。在八十年代后 期和九十年代，有大量的微波等离子体放电的理论出现，特别是微波诱导等离子 体的动力学理论得到飞跃发展“ 微波等离子体在光源方面也有相当重要的应用利用微波能量维持的低气压 紫外无极光源早在六、七十年代就已出现，并且以其紫外发射强度大，效率高， 无电极污染等优点得到了较广泛的应用。近十几年对微波激发并维持的高气压放 电的研究也取得了较快的发展，并在九十年代初研制出了高气压微波硫灯。 微波诱导等离子体的应用 微波诱导等离子体与传统的等离子体有很大的不同，一般称其为表面波放电 等离子体( s w p ) 下面就微波等离子体的部分应用领域进行讨论，这些应用领域 具有代表性，可以由此窥见微波诱导等离子体的一些特点 。 簋坠避甄聋遵赴甚：微波诱导球等离子俸曲能l 吸收的研究 序言 1 离子源 由于表面波等离子体的产生装置重量比较轻，电力消耗比较低，而且只要空 间条件合适放电的重复性和稳定性特别出色，因此这类离子源的应用非常广泛。 又采用m = 0 模式的表面波等离子体，使产生装置的阻抗匹配的效率很高 2 元素分析 采用表面波等离子体将待测试的分子分解成已知的原子，并通过质谱和光谱 的方法来定性和定量分析各种原子种类。表面波等离子体的产生装置结构比较紧 凑，能够方便地分解待测分子。又表面波等离子体分解对光谱和质谱的干扰要比 通常的共振分解小 3 刻蚀和镀膜 采用微波诱导等离子体进行刻蚀和镀膜时，可以只改变微波的频率而不改变 其它的外参数来改变等离子体的放电在实际的刻蚀和镀膜时可以通过实验的方 法寻找到最佳的工作条件，使加工工艺品质有很大的提高。 4 等离子体加热 微波诱导等离子体放电时的电磁波的传播模式比较容易控制，工作的频率范 围也比较宽，因此放电较稳定，加热的均匀性可以得到保证。另外微波诱导等离 子体放电的区域比传统的微波放电大很多，可以大面积加热。 5 辐射和照明光源 由于微波诱导等离子体的放电方式的条件，使其放电为无极放电在光源的 中，无极放电不需要电极可以延长光源的寿命另外采用微波诱导等离子体是高 频工作，产生的光通量要比直流放电多一些，可以提高光效。 本文的工作 本文从电子运动的角度出发，探讨球等离子体对微波场能量的吸收作用，以 此来窥见微波诱导等离子体的部分性质本文第一章介绍了微波诱导等离子体的 产生和圆柱形等离子体的理论背景，提出球形微波诱导等离子体的能量吸收的假 定和参量的处理方法；第二章提出了球形微波诱导等离子体的能量吸收的理论和 计算方法；第三章介绍微波等离子体的实验装置，及实验的结果；第四章对实验 结果和理论计算进行对比，并对实验现象进行分析和讨论；第五章对实验和理论 的一些总结和展望 o 参考文献 o o 墨旦盘堂亟堂焦诠塞；钟磷劳孚掣芋薄于庠的膨量厨钟的砑茁 序言 1 m c d o n a l da d m i c r o w a v eb r e a k d o w n i ng a s e sn e wy o r k ：j o h nw i l e y & s o n sl n c 1 9 6 6 ：1 1 0 5 2 m o i s a nm ，b e a u d r yc ，l e p r i n c ee a n e wh f d e v i c e f o rt h ep r o d u c t i o no f l o n g p l a s m a c o l u m n sa t a h i g h e l e c t r o nd e n s i t y p h y sl e t t 5 0 a ( 2 ) 1 9 7 4 ：1 2 5 1 2 6 【3 m o i s a nm ，z a k r z e w s k iz p l a s m as o u r c e sb a s e do nt h ep r o p a g a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i c s u r f a c ew a v e s j p h y s d ：a p p l p h y s ，2 4 ，1 9 9 1 ：1 0 2 5 1 0 4 8 4 z a k r z e w s k iz ，m o i s a nm e ta 1 a t t e n u a t i o no f as u r f a c ew a v ei nau n m a g n e t i z e dr f p l a s m ac o l u m n p l a s m a p h y s 。1 9 ( 2 ) ，1 9 7 7 ：7 7 8 3 f 5 f e r r e i r ac m t h e o r yo f a p l a s m as u s t a i n e db yas u 咖e ew a v e j p h y s d ：a p p l p h y s ，1 4 1 9 8 1 ：1 8 1 1 - 1 8 3 0 【6 w i n k l e rr ，w u t t k ew m ad e t a i l e ds t “d yo fe l e c t r o nk i n e t i c si n v o l v e di nm o d e l l i n g d i s c h a r g ep u m p e d e x c i m e rl a s e r p l a s m a s a p p p h y s ，b 5 4 ( 1 ) ，1 9 9 2 ：1 - 1 7 7 q o 簋坠赵翌煎兰毽、盘蓉i 微波诱导球等离子体的能l 吸设的研究 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 1 微波诱导等离子体的基本背景 1 1 等离子体的产生 微波诱导等离子体产生方式有很大不同但形成的等离子体的性质基本相同 这里讨论的微波诱导球等离子体是采用传播电磁波的方式形成的，等离子体没有 外加的磁场，并采用介 质( 石英) 密封等离子 体讨论的微波诱导等 离子体的产生结构示意 如图l 一1 所示，充填元 素被约束在石英球壳内 微波通常采用磁控管来 图卜1 微波诱导等离子体的产生 产生，通过b j 2 6 波导传 导进入金属网罩组成的谐振腔在谐振腔的匹配耦合作用下石英球壳内的充填元 素形成等离子体由于我们采用的频率为2 4 5 g t l z ，其微波波长为1 2 2 4 舢，而网 孔的直径为2 m m ，根据公式( 1 1 1 ) k = 1 一c o s ( 2 丌)( 1 1 1 ) 几 式中k 表示微波泄漏的比例，a 网孔的直径，入微波的波长 因此微波是无法透射网罩的为了保证等离子体与微波能量的充分耦合，选择使 用高q 值的金属网罩谐振腔。 在金属网罩腔体内微波将足够的能量耦合到放电体中去，使放电体内元素击 穿放电形成等离子体，这样微波诱导等离子体就形成了由于等离子体被束缚在 介质腔体内部，网罩腔体内的微波的模式为t m 模式，因此微波与等离子体的相互 作用类似于表面波激发的等离子体”1 启动时，微波电场透过石英介质作用在气体上，使带电粒子作加速运动由于 电子的质量远远小于离子，微波场能量的吸收主要由电子来完成宇宙辐射的存 o q 墓呈叁兰甄兰健谂蓉：搬最诱导璩等离子律的能l 吸啦酶研究 整二童堂鎏受量壁竺塞王堡塑望笙坌堑 在，使气体内有电子电子不但在微波场下加速，而且与周围粒子碰撞当电子能 量足够高，与周围重粒子发生碰撞时，将有可能使重粒子激发或电离当气体内产 生电子的速度足以弥补因扩散和复合造成的电子损失时，我们称这时的气体击穿 了，气体放电开始了”1 1 2 等离子体对微波能量的吸收 分析这类微波诱导等离子体，分析其具有以下两个特点：1 ) 等离子体没有 外加的电磁场；2 ) 等离子体的维持条件主要决定于带电粒子和能量损耗的平衡 对于圆柱形微波诱导等离子体的微波能量吸收w o l s a n 和z a k r z e w s k l 已经发展了 成熟的理论“1 ，这对微波诱导球等离子体有重要的借鉴意义，因此这里对圆柱形 微波诱导等离子体的能量吸收理论罗列如下 微波场沿着圆柱的轴向传播进入 等离子体。微波能量能够耦合进入等离 子体的区域称为放电的有效区域。微波 场沿等离子体轴向传播，其能量由于等 离子体的吸收逐渐减少，当微波能量减 少到不足以维持等离子体时，等离子 体的有效区域就终止了图1 2 是圆 柱形微波等离子体和轴向平均电子浓 图1 - 2 圆柱形微波等离子体示意图 度分布的示意图平均电子浓度随着微 波能量的减少而逐渐下降。在z = l 处 等离子体截止，此时对应的电子浓度为n 。，其大小与等离子体的频率有关。 p ( z ) 来表示微波通过z 平面的功率，在微波从z 到z + z 过程中，功率p ( z ) 由于等离子体的吸收而逐渐衰减定义微波功率在z 处的衰减，则从z 到z + dz 的p ( z ) 的变化来定义微波衰减因子c 【( z ) “1 d ( z ) ；三赢1 d p ( z ) (112)2d 、7 p ( z 1 z 、7 负号表示微波能量是衰减的。单位长度等离子体从微波中吸收的能量a ( z ) 为 o o 复呈基兰亟耋兰值逾基! 穗 破诱导球荨离子体的能t 吸教的研究 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 a ( z ) ；一掣：2 口( z ) p ( z )( 1 ，1 3 ) q z 假定微波衰减因子c 【( z ) 不受等离子体的梯度影响，唯一决定于截面的平均电子 浓度n ，所以微波衰减因子d 实际上是电子浓度的函数，即o 【( z ) ；o 【( n ( z ) ) 在稳态条件下，微波在等离子体内的传播可以看作j o u l e 加热“，可以得到 下式： 2 ( n ) p ( z ) z = 2 兀j ：k ( n ) e 2 ( r ) r d r az ( 1 1 4 ) a 是圆柱的半径，n 是电子浓度，是等离子体的电导率，e 是微波的电场强度，它 是半径r 的函数微波场的能量主要由等离子体内的电子吸收，电子吸收的能量 是通过各种碰撞转移给重粒子的我们用l 表示单位长度内电子损失的功率，那 么有下面的式子成立： l ( n ) az = 7 【a2 n o z( 1 1 5 ) 其中0 表示单位时间一个电子损失的能量当假设等离子体的电子能量分布函数 与电子浓度无关时，0 也与电子浓度无关根据这样的假定，可以计算出0 在整 个等离子体柱内是常数，除了等离子体的末端“1 在实际的等离子体中，0 是一个 复杂的变量，不仅与电子浓度，微波场强有关，还与空间位置，等离子体的组成密 切相关 辐忑五万f 2 ；= 叶电场酵曲率 、o ：a ( z ) z = 2 9 ( z ) p ( 力a z；电场衰戒曲率 等高子体 圣f 坟啦峁率 l ( n ) a z = 孔aa n0az 碰撞拐耗曲 除孽犹形钐獭钐彩钐膨彩缆莲晒莉 圈1 - 3 微波场与等高子体相互作用示意图 考虑稳态情况下，等离子体内电子的能量平衡过程，即电子从微波场吸收的 能量与损耗的能量平衡，由前面对z 内电子能量的吸收和损耗的分析可以得到 1 0 o o 复旦盘堂塑生焦诠塞；钟越劳导球等薄子体的膳量爱我的舒茹 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 下式： 2 a ( n ) p ( z ) = 兀0 2 n o ( 1 1 6 ) 其中n 是z 的函数微波场与等离子体的相互作用可以用图卜3 来表示 2 等离子体和微波相互作用的假定 放电元素填充在直径为4 c m 的石 英球内，采用的微波频率为2 4 5 0 m h z 假定石英介质对微波的传播不产生 影响，并且吸收的能量可以忽略 2 1 微波均匀作用假定 图1 - 4 微波与等离子体作用示意图 如图卜4 所示，假定微波与等离子体的作用是各向同性的，即若采用球坐标， 微波的场强仅仅是半径的函数，而与角度无关在处理微波在等离子体内的场强 时可以仅仅考虑随半径的变化，而不考虑角度的影响 假定场强与微波的发射功率成线性关系假设微波发射功率为p 。，微波场强 在等离子体边界时的电场强度为e ”等离子体的半径为a ，可以认为有这样的关系 成立： p 0 = 4 7 【a2 c o e ： 式中c 是光速，e 。是介电常数 ( 1 2 1 ) 2 2 单过程假定 为了处理的方便忽略等离子体内微波的多次发射传播和干涉作用，在实际 处理时进行等效分析，电磁波在等离子体内反射或透射后，不再进入等离子体而 直接回到环流器，即微波在等离子体内的传播是单过程的，不是反复作用的这样 等离子体内微波的运动有两种情况： 1 ) 透射情况 在气体比较稀薄时，微波将透射过等离子体，如图1 - 5 所示微波在等离子体 0 基坠叁兰亟圭差值血墓；截教诱导球譬离子律的齄| 吸蛾的研究 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 图1 - 5 微波在等离子体内的透射 内经过的距离为2 a 入射时的电场强度 为e 。，出射时为e ，计算等离子体吸收的 微波能量可以通过计算反射功率p 。来得 到： p l = 4 冗a 2 c o e i ( 1 2 2 ) 那么等离子体吸收的微波功率 为： p d = p o b = 4 兀f 1 2 c o ( e ：一e ；) ( 1 2 3 ) 此时等离子体比较稀薄，局部等离子体的 能量主要来自对微波场能量的吸收，可以 忽略热传导的作用 2 ) 反射情况 当填充元素浓度较高时，形成等离 子体的密度很高微波在进入等离子体 一定深度后就反射( 如图1 - 6 ) ，若等离子 体进入等离子体的距离为r ( r a ) ，那么 微波在等离子体内经过的距离为2 r 等 离子体对微波能量的吸收计算方法与 图卜6 微波在等离子体内的反射 透射情况类似，但等离子体的球心部分无法对微波场能量的吸收 结合上述的分析，在计算中选择球坐标比较方便把球坐标的原点取在等离 子体的中心我们假定e ( r ) 为r 处微波场在等离子体内的电场强度，我们可以得 | 一， i 、 r 质 一a 0 a r ( a ) e o e 1 l r ，、。 舟质 0 r 0 a r ( b ) 圈1 7 球坐标下徽波电：瞄强度在等离子体内的分布( a ) 透射情况( b ) 反射情况 v o o 墓垦基整塑量兰选盘墓；微波译寻球等离子体的能| 我教的研究 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 到图1 - 7 从图中我们可以看到透射和反射情况相类似，但有两个大区别： 1 ) 透射时微波经过整个等离子体，而在反射时等离子体无法到达半径小于r 。部 分 2 ) 透射时微波经过等离子体一次，而反射时微波经过等离子体二次 在计算处理时透射可以忽略等离子体内部的热传导作用，而反射时热传导作用是 等离子体球心部分获得能量的重要过程”1 2 3 等离子体的基本假定 各向同性假定 假设在石英球内的形成的微波诱导等离子体是各向同性的，这样等离子体的 介电参量都应是向量而不是张量结合前面对微波在等离子体内传播的分析，可 以得到等离子体的介电参量仅仅是半径的函数 均匀性假定 假定气体在整个球内是均匀分布的，这样形成等离子体时局部的电子浓度取 决于温度在稳态时电子浓度分布函数和电子速度分布函数均是温度和半径的函 数，而与角度无关 l t e 假定 认为稳态时微波诱导等离子体是局部热力学平衡( l t e ) 等离子体可以用 s a h a 方程得到等离子体的局部电子浓度电子的速度分布函数可以用m a x w e l lj a n 分布函数来处理，若要进一步考虑微波作用可以用级数来处理 2 4 能量的处理 根据稳定状态下，微波诱导等离子体中电子吸收微波场能量，并通过辐射和 电离释放能量，从整个等离子体来说等离子体吸收的能量应该与释放的能量平衡 但对局部等离子体的能量平衡来说还必须考虑热传导的作用，这可以用 e l e n b a as - h e l l e r 能量平衡方程来表示： 。( r ) e ( r ) 2 + l 旦r k o t ：u ( r )( 1 2 4 ) i1 7 i - ( ，i 这里t 是温度，k 是热传导系数，u ( r ) 是局部等离子体单位体积的净功率 0 o 墓曼基生塑翌焦盘甚；镶波诱导球拳离子律辨匏| 吸收薛研苑 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 3 球形等离子体基本参量的求解 微波诱导球等离子体与圆柱形等离子体的最大不同在于径向微波场强和电 子浓度的分布上 r d r 图1 - 8 微波场在球形等离子体内的传播 3 1 径向电场e ( r ) 首先分析电场从外部到球 心传播的情况如果不考虑等离 子体对微波场能量的吸收，那么 微波场强会随着传播过程中半 径的减小而增大因为采用恒功 率的微波场，可以得到下式： p = 4 x r 2 c ，( r ) e ( r ) 2( 1 3 1 ) 这里r 是到等离子体中心的距离 c 是电磁波的传播速度即光速， 5 ，是等离子体的介电系数认 为等离子体的介电系数是半径的函数，因为等离子体的电子浓度径向不一定相 等 考虑等离子体对微波场能量吸收对微波场强的影响我们认为微波场的功率 在传播过程中被等离子体吸收而减少，且在稳态时进入局部等离子体时的功率与 流出局部等离子体的功率和局部等离子体吸收的功率的和相等进入局部等离子 体的电场强度为e ( r ) 如图1 - 8 所示，那么可以计算进入局部等离子体的功率为： p i 。= 4 nr 2 c ，( r ) e ( r ) 2 ( 1 3 2 ) 这里e ( r ) 是电磁波的入射强度那么从r 到r + d r 内等离子体吸收的微波能量的 功率为： p d = o ( r ) 8 ，( r ) 2 4 丌r 2 d r( 1 3 3 ) 同理，流出局部等离子体的功率为： i k = 4 n ( r d r ) 2 c ，( r - d r ) 【e ( r ) 十d e ( r ) 】2 ( 1 3 4 ) 由稳态时的能量平衡存在如下关系： o o 耋垦基整亟莹焦逾墓3 微j 吱诱导球等离子体的能l 吸牧的研究 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 p i 。= p o 。+ p d ( 1 3 5 ) 即 4 丌r 2 c ，( r ) e ( r ) 2 = 4 n ( r d r ) 2 c 8 ，( r d r ) 【e ( r ) 十d e ( r ) 】2 十o ( r ) ，( r ) e ( r ) 。t4 nr 2 d r( 1 3 6 ) 取一价小量得： 了d e ( r ) ：盟+ 黑一型塑 ( 1 加 出r2 f r l2 c 、7 电场的变化还与等离子体的介电常数和电导率有关，从物理意义上来说也是比较 合理的 若等离子体是均匀的，那么等离子体的介电常数和电导率应该不是半径的变 量，则式( 1 3 7 ) 可以变为 d e ( r ) e ( r ) d d e ( r ) 一一一 d rr2 c 解之得 其中 一掣 e ( r ) = e o e 、2 ( 1 3 8 ) ( 1 3 9 ) 九= 譬( 1 3 1 0 ) 2 c 、7 e 。是常数，在实际问题中可以由边界条件和输入的电场强度得到 当等离子体的非常稀薄时，对微波能量的吸收能力比较弱，那么式( 1 3 9 ) 可 以变为： e ( r ) = e o e 1 ( 1 3 1 1 ) 此时 型：一粤e 一( 1 3 1 2 ) d r九 、 可以看出随着半径的减小，微波场的场强迅速增加 前面的分析是微波场从外部到球心方向传播的情况，从球心到外部的传播情 况是相类似的，可以得到如下关系： 了d e ( r ) ：塑+ 尝+ 盟盟 ( 1 - 3 1 3 ) d rr2 “)2 c 、 唯一的区别在于等离子体对微波场的吸收对电场的影响与向球心方向传播相反 0 o 墓垦盘兰塑兰焦赴墓；瑷渡诱导球等蔫子依曲能| 吸牧的研究 第一章微波诱导球等离子体的理论分析 同样对于均匀等离子体可以得到如下关系 一d e ( r ) 型+ o d e ( r ) d rr2 e 解之得 坚! i ! ! e ( r ) = e o e 舻 同样讨论等离子体非常稀薄时情况： 此时 e ( r ) = e o e 。( 1 3 1 6 ) 型：_ e o e ： (1-317)dr九 一 显然随着半径的增加，电场强度锐减 在实际处理中考虑到球形等离子体的对称性，以及波的叠加特性，可以对电 场强度进行合并首先来考虑透射情况，由前面的简化，见式( 1 3 1 1 ) 和( 1 3 1 6 ) 可以通过边界条件进行合并根据微波场进入等离子体的情况可以得到，设微波 场在进入时场强为e 。对式( 1 3 1 1 ) 有 e ( r ) i 。= e i n( 1 3 1 8 ) 因此式( 1 ，3 1 1 ) 为 e ( r ) = e i e x p ( 娑) 0 3 1 9 ) 又场强在球心处是连续的得式( 1 3 1 6 ) 为 e ( r ) = e 。e x p ( 兰芸)( 1 3 2 0 ) 将两者合并得作用于局部等离子体的有效电场强度为 e ( r ) = e i n e x p q a ) ( e x p q r ) + e x p ( 一三) ) 0 r a ( 1 3 2 1 ) ，-，k 同理得到反射情况的电场强度表达式，此时连续点应为r 。反射情况下的表达式 e ( r ) = e i e x p e m ( 业兽马 e x p ( - 学) e ( r ) ( 再l 一) e x p ( 一 若l ) + e x p ( - 业业掣 业竺) c x p ( 堕等坐) ) r o r 亟 d n ed n e ( 4 2 1 ) 这里p 表示等离子体消耗的功率，p ，是等离子体从微波场吸收的功率 当放电仅在上半部分或下半部分时，微波场强在放电部分最强，而其它 部分不足以击穿全体，放电部分随启动时间吸收的能量逐步增加，又由 于放电集中在球冠上，趋肤深度大于放电区域，因此放电部分都是微波 能量的有效吸收区当放电区域不满足判据( 4 3 1 ) 时，放电就熄灭了 在整个放电过程中，等离子体吸收微波能量始终是增加的，因而在熄灭 刹那等离子体吸收的微波能量最大 o q 簋垒长生亟t 鳖毽、盘甚3 搬渡诱导球等离子体曲能l 吸收戢研究 第四章理论分析和实验结果比较 3 微波硫灯的能量吸收问题 在微波硫灯内，硫等离子体对微波能量的吸收是一个重要过程，提 高等离子体的微波能量吸收效率，有以下作用： 1 提高光源的发光效率相同电源输入功率下，有更多的微波能量 参与等离子体放电 2 提高微波源的使用寿命等离子体没有吸收的微波能量将转化成 热量，磁控管和其它半导体元器件组成的微波源电路的使用寿命取决 于工作的温度，环境发热量少，温度越低，微波源的使用寿命越长 3 减少微波泄漏等离子体没有吸收的微波能量除转化为热能外， 还有一部分可能泄漏，因此提高吸收效率可以减少微波泄漏 1 泡壳的尺寸对吸收影响 根据前面的分析，对同样的等离子体输入功率不同其吸收效率会 不同输入功率的不同会使微波进入等离子体的趋肤深度不同，等离子 体对微波的吸收效率就不同 在微波硫灯中，微波输入功率越大，泡壳的尺寸应该越小因为功 率大微波的趋肤深度小，若尺寸太大，热对流消耗的能量比较多，影响 微波硫灯的发光效率但泡壳的尺寸首先应该保证等离子体能够稳定 工作，不会发生熄灭，以及保证管壁温度不能太高 2 输入功率对吸收影响 微波硫灯的输入功率不能变化太大，因为功率由高到低时容易引 起熄灭现象功率变化的速度不能超过等离子体的弛豫速度，因此电源 电路在设计时要充分考虑工作稳定性，一般要求电路的变化不超过5 3 充填元素的设计 充填量和放电尺寸是关联的，在放电尺寸确定的情况下，可以设计 最佳的充填剂量根据填充元素的放电特性还可以确定发光效率在实 际微波硫灯的设计中要充分考虑吸收效率和发光效率的关系 4 微波技术的改进 o q 曼坠赵兰殛t 生色强盖3 微波诱导球等离子钵的能| 吸牧的研究 兰堕兰型笙坌堑塑塞墼堕墨些墼 一 一 在实验中已经发现波导系统的不同结构对能量吸收效率差别非常 大在采用了吸收效率高的传输系统后，对泡壳放电的位置要求比较高 比较小的误差就会引起等离子体对微波能量的吸收效率因此在微波 硫灯的设计中必须减少泡壳位置在谐振腔内位置的误差 参考文献 f 1 a c h i mk 6 r b er ，m o d e l 1i n gt h es p e c tr u mo fas2h ig hp r ess ur ed is c h a r g e ， p h i l i p sr es e a r c hl a b or a t o r ies ， a c h e n ，1997 【2 】h e a l dm a ，w h a r t o nc b p l a 彻ad i a g n o s t i c sw i t hm i c i o w av s n e wy o r k ：j o h nw i l e y s o nsi n c 。19 65 ：6 - 8 【3 1f e r r e i r ac m ，m m o i s a n ，m i c r o w a v ed i s c h a r g e s ：f u n d e r m e n t a l sa n d a p p l i c a t i o n n e wy o r k ：p l e n u mp r e s s ，1 9 9 3 ：1 - 2 4 塞呈盘堂塑芏焦淦塞；群谐谚粤硪筝蓐子举的扇 f 孵裙带毋院 第五章结论和展望 第五章结论和展望 1 结论 微波诱导等离子体吸收微波场的能量主要是通过电子的运动来实现的电子 在电场力的作用下作加速运动，由于电子与其它重粒子碰撞，使电子的能量得到 不断的积累，这样电子就从微波场中吸收了能量 本文处理的是球等离子体对微波场能量的吸收，把等离子体内的重粒子看作 静止不动的，电子在微波场作用下运动过程中与其发生碰撞而改变运动方向因 此等离子体吸收微波场能量类似于介质的焦耳加热 在计算径向电场分布和趋肤深度等参量时，发现它们都受等离子体的电子碰 撞参量v 制约实验及理论分析发现： 1 在微波输入功率8 0 0 w ( 正常工作状态下磁控管的微波输出功率) ，泡壳的直 径为3 8 r a m 时，最佳的充硫量为1 2 m g c c 2 采用改进的微波波导系统可以有效地提高球等离子体对微波能量的吸收效 率，最佳状态可以将反射功率控制在2 0 w 以下 3 泡壳在谐振腔内的位置对等离子体吸收能量有显著作用，甚至所处位置可 以决定等离子体能否稳定存在 4 球等离子体首先在球心击穿放电，稳定时等离子体吸收微波场的能量集中 在外围，球心部分不吸收微波能量 5 通过这样的工作微波硫灯的发光效率已达到8 5 l m w ，产品的早期损坏大幅 度减小，产品的质量和一致性得到很大的提高 2 研究的方法和展望 由于在处理时有较多的假设，为了今后更好地开展这方面工作，从实验方法 和理论分析两个方面来对本课题进行探讨通过对假设的可靠性进行确认和采用 新的理论分析手段，一定会得到更好的结果 毽坠盘璺塑t 翌蛰畿蓉3 徽| i 丧诱导球等离子体的能l 瑷驶蝻磷竞 第五章结论和展望 2 1 实验方法 电子温度的测量 由于等离子体是密闭的，因此探针法没有办法使用，但t h o m s o n 散射法可以 使用而且由于t h o m s o n 散射法不需要对电子能量分布作任何热平衡假设，所以 可以得到客观的电子能量分布 气体温度的测量 可以在等离子体内加入少量杂质原子，用发射系数法来进行测量但由于等 离子体本身体积较小，而温度的梯度又非常大，在实际测量中难度十分大还可以 用d o p p l