本文選題：脈沖放電　切入點：朗繆爾探針　出處：《清華大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：目前低溫等離子體脈沖放電在工業(yè)界得到了廣泛的應用,尤其是在材料表面處理領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)放電,脈沖放電形式有著眾多優(yōu)勢,比如通過調(diào)節(jié)脈沖頻率和占空比可以更靈活地控制不同活性粒子的通量,減少表面電荷沉積以及緩解離子轟擊帶來的表面損傷等等。由于脈沖放電中不同物理過程發(fā)生的時間尺度差異很大,導致關(guān)鍵的放電參數(shù)(例如電子密度和溫度)有著明顯地非線性動態(tài)弛豫的演化特征。因此只有采用時間分辨的實驗測量和模型分析才能夠深入地了解進而操控脈沖放電的物理特性。然而放電暫態(tài)過程普遍和放電氣壓、功率、氣體種類、脈沖頻率和占空比等等外部控制參數(shù)緊密相關(guān),放電物理非常復雜,目前與之相關(guān)的報道結(jié)果尚有很多不足之處。本論文在不同脈沖容性耦合放電條件下結(jié)合測量與模型,探究了電子密度和溫度的演化特征并揭示了其中的物理機制。本論文主要內(nèi)容為:(一)從實驗上確認了在余輝早期由容性耦合引起的位移電流對朗繆爾探針測量電子密度的干擾,并建立了從等離子體到探針的等效電路模型對其進行了定量討論。進一步地,在強容性耦合情形下提出了修正探針數(shù)據(jù)的方法,修正后的結(jié)果能夠與其他獨立的實驗測量結(jié)果吻合。(二)建立了能滿足較寬實驗條件并且同時包含鞘層塌縮和電子-電子散射作用機制的模型,用于描述低氣壓惰性氣體余輝中電子密度和溫度的演化,結(jié)果與實驗測量相吻合。作為比較,前人報道的模型只適用于高密度等離子體情形,并且沒有討論電子密度空間分布位形的影響。(三)在電負性氧氣脈沖放電中發(fā)現(xiàn)了不同余輝時長下由記憶效應引起的電子密度演化特征,通過建模分析提出了短脈沖情形下由氧分子亞穩(wěn)態(tài)碰撞解吸附和電子碰撞分解吸附主導的電子循環(huán)過程,揭示了在余輝晚期氧分子亞穩(wěn)態(tài)和振動激發(fā)態(tài)對電子超彈性散射導致的電子加熱效應。(四)在惰性氣體脈沖放電中結(jié)合模型和實驗討論了分步電離、射頻功率傳輸、電子溫度演化、分子氣體摻雜以及離子在放電邊界逃逸對功率加載期間電子密度弛豫的影響;在四氟化碳脈沖放電中討論了帶電粒子密度和中性自由基團密度在整個脈沖周期內(nèi)的演化機制,并總結(jié)了氟原子主要的產(chǎn)生和損失過程。
[Abstract]:At present, low temperature plasma pulse discharge has been widely used in industry, especially in the field of material surface treatment. Compared with conventional steady state discharge, pulse discharge has many advantages. For example, the flux of different active particles can be controlled more flexibly by adjusting the pulse frequency and duty cycle. Reduction of surface charge deposition and mitigation of surface damage caused by ion bombardment, etc., because the time scales of different physical processes in pulse discharge vary greatly. The key discharge parameters (such as electron density and temperature) have the characteristic of nonlinear dynamic relaxation. Therefore, only time-resolved experimental measurement and model analysis can deeply understand and manipulate them. The physical properties of pulse discharge. However, the transient process of discharge is widespread and the discharge pressure, The external control parameters such as power, gas type, pulse frequency and duty cycle are closely related, and the discharge physics is very complicated. At present, there are still many shortcomings in the related reports. In this paper, the measurements and models are combined under different pulse capacitive coupling discharge conditions. The evolution characteristics of electron density and temperature are investigated and the physical mechanism of electron density and temperature is revealed. The main content of this thesis is to confirm experimentally the measurement of displacement current induced by capacitive coupling to Langmuir probe in the early afterglow. Interference of electron density, An equivalent circuit model from plasma to probe is established to quantitatively discuss it. Furthermore, a method for correcting probe data is proposed in the case of strong capacitive coupling. The modified results are in agreement with other independent experimental results. (2) A model which can satisfy the wider experimental conditions and include the mechanism of sheath collapse and electron-electron scattering is established. It is used to describe the evolution of electron density and temperature in the afterglow of low pressure inert gas. The results agree well with the experimental measurements. The effect of spatial distribution of electron density on electron density is not discussed. (3) the characteristics of electron density evolution caused by memory effect have been found in electronegative oxygen pulse discharge with different afterglow duration. By modeling and analyzing, an electron cycle process dominated by metastable collision desorption of oxygen molecules and electron collision decomposition adsorption is proposed in the case of short pulses. The electron heating effect caused by electron superelastic scattering caused by metastable and vibrational excited states of oxygen molecules in the late afterglow period is revealed. (4) in the inert gas pulse discharge, the stepwise ionization and radio frequency power transmission are discussed in combination with the model and experiments. The effects of electron temperature evolution, molecular gas doping and ion escape at the discharge boundary on the electron density relaxation during power loading; The evolution mechanism of charged particle density and neutral radical group density over the whole pulse period was discussed in the pulse discharge of carbon tetrafluoride, and the main generation and loss processes of fluorine atoms were summarized.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O53;O461

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本文編號：1593958