两种温度电子对稳态等离子体鞘层的影响.pdfVIP

第30卷第5期 计 算 物 理 V01．30，No．5 PHYSICS CHINESE OFCOMPUTATIONAL Sep．，2013 2013年9月 JOURNAL 文章编号：1001—246X(2013)05-0733-06 两种温度电子对稳态等离子体鞘层的影响 赵晓云， 张开银， 张丙开， 李世刚 (阜阳师范学院物理与电子科学学院，阜阳236037) 摘要：建立包含冷热电子的无碰撞等离子体鞘层的流体模型，利用数值模拟研究含有两种温度电子时等离子体 鞘层的产生．结果表明：对于含有两种不同温度电子的稳态等离子体，冷电子的温度越低或者冷电子的含量越多， 鞘边离子的马赫数临界值就越小，鞘层的宽度就变得越窄，沉积器壁的离子动能流也就越少．此外，研究不同种类 的等离子体(Ar、Ke、xe)，鞘层厚度和离子沉积器壁动能流受冷电子的影响． 关键词：等离子体鞘层；等离子体模拟；马赫数；动能流 中图分类号：0531 文献标识码：A 0 引言 等离子体鞘层一般形成于等离子体器壁表面或处于等离子体中待加工的基板附近，其形成的原因主要 是由于组成等离子体的电子、离子热运动的不同，在器壁表面或基板附近形成的一个非电中性区域．鞘层的 物理特性(如鞘层厚度、鞘层电势等)与等离子体的应用有着直接的联系．影响鞘层特性的因素主要包括等 离子体中的带电粒子种类、带电粒子的密度和温度等‘1。． 等离子体鞘层受等离子体种类影响的理论研究，对于电子是单一温度情形的等离子体鞘层的研究已经 很透彻心。]，但对两种温度电子的等离子体鞘层的研究目前还不够充分．近年来，随着等离子体的应用推广， 两种温度电子的等离子体得以进一步关注并研究M。19|．不论是StormMl研究利用激光加热的等离子体中电 在激光聚变等离子体¨’和等离子体薄膜制备∽1中都不同程度地出现过两种温度电子，并且对等离子体的应 用造成一定的影响．另外在推进器加速通道中由于高能电子撞击器壁产生二次电子，这些二次电子在鞘层电 势作用下加速进入等离子体，使得等离子体中电子温度呈现非单一性。10‘111．两种温度电子的出现，使等离子 体鞘层结构特性不同于仅有单一温度电子的鞘层，为了更好地把握等离子体在薄膜制备等方面的应用，有必 要研究两种温度电子的等离子体鞘层特性． 文献[12一14]用动力学模型研究了鞘边玻姆判据受两种温度电子的温度与密度不同带来的影响，结果 种温度电子的鞘层，但在该文献中主要研究的是器壁二次电子临界发射系数以及鞘边二次电子密度等受鞘 边两种温度电子的影响．文献[16—18]中就薄膜沉积过程中出现的两种温度电子进行研究，分析了两种温 度电子在薄膜沉积过程中的相互影响，还讨论了鞘边电场和向器壁加速运动的离子受到两种温度电子的影 在尘埃等离子体中，热电子的存在使得鞘层电势和带电粒子密度呈现有规则的波动，波动的幅度和周期与热 电子的温度和密度有关． 已有的研究工作¨””1显示了冷热两种不同温度电子在薄膜制备、二次电子发射以及尘埃等离子体中给 等离子体鞘层带来一定的影响，但在这些文献中都没有具体考虑两种温度电子对鞘层厚度、沉积器壁表面离 子动能流以及不同种类等离子体进行分析．而在等离子体刻蚀等加工中鞘层厚度与加工质量的好坏有着直 收稿日期：2012—12—23；修回日期：2013—04—15 学基金(K资助项目 万方数据 734 计 算 物 理 第30卷 接的关系、在稳态等离子体推进器中器壁腐蚀与沉积器壁离子动能流相关‘1引，鉴于鞘层的这些物理特性与 等离子体应用有着重要的联系，因此对两种温度电子的等离子体鞘层的研究成为必要．本文通过流体模型对 两种温度电子的鞘层的研究，为等离子体在工业应用或实验中两种温度电子的分析提供理论参考． 1 鞘层模型 等离子体鞘层边界，z0是中性等离子体区域，z0是鞘层区域，建立一维稳态等离子体鞘层流体模型． 对于低温等离子体，由