管內(nèi)離子注入的感性耦合射頻放電等離子體動(dòng)力學(xué)仿真.pdf

1、等離子體粒子模擬是從最基本的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā)，通過在計(jì)算機(jī)上跟蹤大量帶電粒子在自洽場和外加電磁場中的運(yùn)動(dòng)來模擬等離子體的動(dòng)力學(xué)特性，從而得出被模擬系統(tǒng)隨時(shí)間的演化過程。由于等離子體粒子模擬方法具有其他仿真方法難以企及的計(jì)算精度，能夠高度精確地反映出等離子體的行為，因此在研究等離子體的數(shù)值仿真方法當(dāng)中具有不可替代的作用，目前已經(jīng)成為獨(dú)立于理論和實(shí)驗(yàn)方法之外的研究等離子體的第三種研究方法。然而目前的等離子體粒子模擬方法存在計(jì)算量大、消耗機(jī)時(shí)

2、長的問題，這是制約著等離子體粒子模擬方法發(fā)展和應(yīng)用的最大障礙。
　　現(xiàn)有的等離子體粒子模擬算法多是基于CPU進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的串行算法，所以其計(jì)算速度已經(jīng)難以提高。針對這一問題，本文提出并構(gòu)建了基于CUDA架構(gòu)GPU的等離子體粒子模擬并行算法。該方法利用GPU進(jìn)行異構(gòu)計(jì)算，讓GPU和CPU協(xié)同工作，使得等離子體粒子模擬的運(yùn)算速度提升100多倍，從而使等離子體粒子模擬方法的計(jì)算效率和應(yīng)用價(jià)值大幅提升。
　　針對基于CUDA的等離

3、子體粒子模擬方法中存在著元胞粒子列表更新緩慢的問題，本文提出了基于偏移量的元胞粒子列表更新算法，并成功應(yīng)用這一算法解決了該問題。通過對基于CUDA的等離子體粒子模擬方法計(jì)算加速比的研究，得出下列結(jié)論：計(jì)算加速比隨著模擬區(qū)內(nèi)網(wǎng)格數(shù)目的增多而增大；隨著模擬區(qū)內(nèi)帶電粒子數(shù)目的增多，計(jì)算加速始終保持高效和穩(wěn)定。所以本文建立的基于CUDA的等離子體粒子模擬方法具有高度的穩(wěn)定性和極高的計(jì)算效率。
　　細(xì)長管內(nèi)表面的離子注入處理一直是表面改性領(lǐng)

4、域中的難題。針對這一問題，本文提出了管內(nèi)電感耦合射頻等離子體離子注入方法，并利用等離子體粒子模擬方法對細(xì)長管內(nèi)部等離子體產(chǎn)生與離子注入動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行研究，獲得細(xì)長管內(nèi)感性耦合射頻放電、鞘層擴(kuò)展規(guī)律以及內(nèi)表面的離子注入均勻性規(guī)律，從而為實(shí)際的細(xì)長管內(nèi)表面離子注入處理技術(shù)提供理論依據(jù)。
　　細(xì)長管內(nèi)的感性耦合射頻放電研究結(jié)果表明：隨著電感線圈直徑增大和螺距減小，管內(nèi)電子和離子的數(shù)目隨之顯著增多，電子能量以及高能量電子的數(shù)目也隨之顯著增

5、大；隨著射頻電流增大和射頻頻率上升，管內(nèi)高能量電子數(shù)目增多，電子與中性氣體的碰撞增多，電子和離子數(shù)目的增長速率上升，管內(nèi)的電子密度和離子密度上升。
　　高壓對管內(nèi)射頻放電影響研究結(jié)果表明：在電感線圈內(nèi)部由于電感耦合射頻放電產(chǎn)生大量的新生電子和離子，而電感線圈與管內(nèi)壁之間的等離子體在徑向電場力的作用下會(huì)被迅速消耗，從而使電感線圈內(nèi)部形成等離子體高密度區(qū)。注入到管內(nèi)壁的高能離子會(huì)使管內(nèi)壁產(chǎn)生二次電子發(fā)射密集區(qū)，二次電子與中性氣體發(fā)生離

6、化碰撞之后使得管內(nèi)壁附近形成等離子體的產(chǎn)生區(qū)。
　　隨高壓幅值提高，管內(nèi)電子密度和離子密度下降，等離子體消耗速率上升，電子和離子的能量逐步提高。當(dāng)高壓幅值達(dá)到一定程度，電感耦合射頻放電產(chǎn)生的新生電子和離子不足以彌補(bǔ)高壓導(dǎo)致的數(shù)量損失時(shí)，管內(nèi)的等離子體將會(huì)逐漸消耗完。隨著高壓脈沖上升沿縮短，管內(nèi)電子和離子數(shù)目的下降速率增大，電子密度和離子密度隨之降低。當(dāng)電壓達(dá)到脈沖電壓平臺之后，管內(nèi)電子和離子的能量分布并未受上升沿的影響而產(chǎn)生顯著變

7、化。隨著二次電子發(fā)射系數(shù)的增大，管內(nèi)電子與中性氣體發(fā)生的離化碰撞增多，電子數(shù)目和離子數(shù)目的增加速度隨之提高，電子密度和離子密度也隨之上升，管內(nèi)部高能量的電子數(shù)目隨之增多，但離子能量分布則幾乎不受其影響。
　　管內(nèi)表面感性耦合等離子體離子注入過程的數(shù)值仿真研究結(jié)果表明：在管內(nèi)放置電感線圈，通過電感耦合射頻放電產(chǎn)生等離子體的過程中，電感線圈在發(fā)揮等離子體源作用的同時(shí)還可以起到地電極鉗制電位的作用，然后在電感線圈與管內(nèi)表面之間建立起強(qiáng)大

8、的徑向電場。電感線圈內(nèi)部空間電位較低，位于電感線圈內(nèi)部的離子在注入到管內(nèi)壁過程中將經(jīng)歷較大的電位降，從而具有較高的能量。不僅如此，電感線圈還可以使其內(nèi)部離子消耗速率下降，從而延長離子注入時(shí)間，降低對高壓電源的要求。
　　隨著等離子體密度增大，管內(nèi)等離子體鞘層的厚度和擴(kuò)展速度均下降，注入離子能量上升。隨著電感線圈螺距增大，管內(nèi)等離子體消耗速度加快，離子平均注入能量下降，管內(nèi)等離子體鞘層的厚度和擴(kuò)展速度均上升。隨著電感線圈直徑增大，管

9、內(nèi)鞘層發(fā)生重疊的時(shí)間延后，離子注入的平均能量隨之上升，但是離子注入的劑量均勻性則隨之下降。隨著電感線圈導(dǎo)線直徑增大，管內(nèi)等離子體鞘層的擴(kuò)展速度降低，等離子體鞘層發(fā)生重疊的時(shí)間延后，注入到管內(nèi)壁的高能量離子數(shù)目增多，離子平均注入能量隨之上升。隨著管內(nèi)徑的增大，管內(nèi)鞘層重疊時(shí)間推遲，注入到管內(nèi)表面的高能量離子數(shù)目減少，離子的平均注入能量下降，而離子注入劑量均勻性則隨之上升。隨著管上負(fù)高壓幅值的增大，管內(nèi)初始鞘層厚度增大，鞘層擴(kuò)展速度也加快，