開放空間低氣壓微波脈沖放電氮?dú)獾入x子體電子行為研究.pdf

1、微波產(chǎn)生等離子體的技術(shù)很早就應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，并且最近人們對微波放電產(chǎn)生的等離子體特性也進(jìn)行了深入的討論。但是人們大多關(guān)注微波產(chǎn)生等離子體之后的穩(wěn)定狀態(tài)的作用，并不關(guān)注放電過程中等離子體形成的過程及此時等離子體狀態(tài)的變化。另一方面，微波氣體擊穿的研究在很多微波傳輸或者微波器件的研究都有涉及，但是大多數(shù)針對微波氣體擊穿的研究的目標(biāo)在于防止微波產(chǎn)生擊穿（打火）的效果，所以該類研究大多關(guān)注微波擊穿時微波本身的參數(shù)和環(huán)境因素，對微波擊穿之后的形

2、態(tài)并不詳細(xì)討論和研究。
　　本文研究的主要目的是詳細(xì)討論從微波擊穿開始，到產(chǎn)生等離子體，最后形成穩(wěn)定的等離子體的全過程。而研究這整個過程的核心點(diǎn)在于研究電子在微波電場的作用如何得到能量，損失能量以及如何產(chǎn)生更多的電子最終形成穩(wěn)定等離子體。由于該過程是相當(dāng)復(fù)雜的過程，所以簡化該過程中的非重要因素是非常必須的。在實(shí)驗(yàn)中本文選擇開放空間的條件去除了電子與容器壁的相互作用，并且背景氣體的狀態(tài)更加穩(wěn)定，同時使得電子的擴(kuò)散效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，但

3、是該開放空間的條件也導(dǎo)致了微波放電過程中等離子體的形成將是一個電子運(yùn)動遠(yuǎn)快于離子運(yùn)動的過程。同時在實(shí)驗(yàn)中選擇低氣壓氮?dú)庾鳛楸尘皻怏w將使得電子與氮分子的碰撞過程更加重要，這樣避免了在極低的氣壓下電子與電子和電子與離子的碰撞過程會產(chǎn)生劇烈的影響或者在極高的氣壓下氮分子之間碰撞作為主要碰撞過程出現(xiàn)。本文采取脈沖式微波進(jìn)行放電可以清晰和直觀地分辨放電過程中從擊穿到產(chǎn)生等離子體到最終形成穩(wěn)定等離子體的過程。脈沖式微波放電也為測量和診斷提供了清晰的

4、參考。
　　在理論上，本文首先從單電子運(yùn)動模型出發(fā)，導(dǎo)出擴(kuò)散效應(yīng)下單電子在微波電場中運(yùn)動的流體方程，并討論該方程的適用條件和注意事項(xiàng)。然后詳細(xì)討論電子與氮分子的各個碰撞過程，氮分子之間的碰撞行為、電子與電子和電子與離子的碰撞行為以及電子的自擴(kuò)散行為。并針對開放空間低氣壓的條件對各類碰撞行為進(jìn)行討論，分析其適用條件，最后就電子的碰撞行為對單電子模型進(jìn)行補(bǔ)充說明。最后從統(tǒng)計(jì)的角度出發(fā)，將單電子模型拓展到全域模型（Global Mode

5、l）中，并采用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)對電子的碰撞行為進(jìn)行具體分析，討論該模型適用的條件。
　　最后通過實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比，分析和討論開放空間低氣壓條件下，微波脈沖放電產(chǎn)生等離子體中電子溫度和電子密度的變化過程及其受影響的因素。
　　實(shí)驗(yàn)中采用氣壓300Pa，氣體溫度300K氮?dú)庾鳛楸尘皻怏w進(jìn)行放電。放電微波采用C波段5.3GHz的微波聚焦產(chǎn)生等離子體，脈沖寬度為1μs，重復(fù)頻率為500Hz，峰值功率為600~800kW

6、。在診斷上主要采用X波段的連續(xù)波進(jìn)行微波透射診斷以得到電子密度的變化，同時采用發(fā)射光譜診斷對氮分子的振動和轉(zhuǎn)動溫度進(jìn)行測量。
　　最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)在微波擊穿到形成穩(wěn)定等離子體的過程中，電子溫度會率先迅速上升達(dá)到一個較高的值，然后較高的電子溫度促使電離過程劇烈發(fā)生，形成雪崩效應(yīng)，此時電子密度開始急劇上升。在電子密度上升至放電微波頻率對應(yīng)的臨界密度的時候，等離子體開始對放電微波的進(jìn)入產(chǎn)生阻礙，這導(dǎo)致進(jìn)入等離子體的微波