【摘要】：離子束-等離子體系統(tǒng)在等離子體與材料表面相互作用等應(yīng)用以及等離子體集體波動和不穩(wěn)定性的激發(fā)和傳播等基礎(chǔ)研究中有廣泛應(yīng)用。束-等離子體系統(tǒng)中等離子邊界鞘層結(jié)構(gòu)特性就是其中一個典型的基本問題。前人在利用離子束-等離子體系統(tǒng)研究波動激發(fā)或鞘層結(jié)構(gòu)等問題時,對離子束的能量以及束流所占的比例均未做到接近獨(dú)立的控制。前人曾在理論和實(shí)驗(yàn)上研究過束對離子鞘的影響,但是對束上下游鞘層結(jié)構(gòu)的不對稱性卻未曾研究。為了研究束-本底等離子體中的鞘層特性,本論文的主要工作在雙等離子體裝置的源室(source chamber)和靶室(target chamber)中間加兩層隔離柵網(wǎng)并通過其偏壓差在靶室形成離子束-本底等離子體系統(tǒng),并用自制校準(zhǔn)的減速柵網(wǎng)式離子能量分析儀診斷離子分布函數(shù)。通過調(diào)節(jié)相關(guān)的放電參數(shù)以實(shí)現(xiàn)離子束能量和束流比例的控制。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了離子束對金屬平板的上下游鞘層結(jié)構(gòu)的影響。主要結(jié)論如下：1.實(shí)驗(yàn)區(qū)中的離子分布函數(shù)含有雙峰結(jié)構(gòu),一群各向同性的本底離子和一群有定向能量的束離子。通過調(diào)節(jié)兩隔離柵網(wǎng)壓差或放電電壓可以幾乎獨(dú)立地控制束離子的能量,而這兩個放電參數(shù)對束流比例的影響甚微。束流比例主要由熱陰極加熱電流決定,該參數(shù)對束能量的影響較弱,因此通過控制熱陰極加熱電流并輔以兩隔離柵網(wǎng)偏壓差或放電電流的適當(dāng)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)束流比例的獨(dú)立控制。但中性氣體氣壓的改變卻造成束能量和束流比例同時變化。該實(shí)驗(yàn)為束-等離子體系統(tǒng)中的鞘層結(jié)構(gòu)和波動激發(fā)等基礎(chǔ)研究提供了獨(dú)立控制束能量和比例的方法。2.發(fā)射探針診斷的鞘層電勢分布結(jié)果顯示,處于束-等離子體系統(tǒng)中的平板上下游的鞘層是非對稱的,下游鞘比上游厚。離子束的出現(xiàn)會使上下游的鞘層收縮,鞘厚會隨著離子束能量及束密度的增加而變薄。將平板換成柵網(wǎng),則由于存在透射率,柵網(wǎng)的上下游鞘層始終比平板情況薄得多。另外,氣壓的升高導(dǎo)致束能量降低和密度下降,從而導(dǎo)致上下游鞘層變厚。本論文的另一部分工作是涉及磁化等離子體的。磁化等離子體中靜電離子回旋波(EICW)在近乎垂直磁場的方向上傳播,前人對EICW的所有實(shí)驗(yàn)幾乎全在Q-machine中進(jìn)行,產(chǎn)生的等離子體是細(xì)長的柱,激發(fā)方式單一不可控。為此,本工作搭建了一個穩(wěn)態(tài)的磁鏡裝置(SMM),其直徑遠(yuǎn)大于前人實(shí)驗(yàn)的磁化等離子體,軸線中心磁場強(qiáng)度超過1200高斯。這為EICW的激發(fā)以及磁化等離子體鞘層結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺。在一個小的測試用真空室中利用熱陰極燈絲放電產(chǎn)生磁化等離子體,用小柵網(wǎng)加外部驅(qū)動信號,開展了EICW激發(fā)的預(yù)研實(shí)驗(yàn)。得到以下結(jié)論：1.在熱陰極放電過程中,熱絲所在磁面內(nèi)電子溫度呈現(xiàn)雙溫,一群對應(yīng)本底電子,一群對應(yīng)初級電子,而熱絲中間電子溫度只呈現(xiàn)單溫,對應(yīng)本底電子,說明初級電子被磁場約束只能沿著磁面運(yùn)動從而電離中性氣體,產(chǎn)生的等離子體擴(kuò)散至其他位置。2.利用小柵網(wǎng)激發(fā)垂直磁場方向傳播的波動,測得該波的頻率隨磁場的增強(qiáng)而增大,獲得其色散關(guān)系與EICW較符合,從而驗(yàn)證了外部驅(qū)動信號激發(fā)大橫向尺度的EICW的可行性。
[Abstract]:Ion beam-plasma systems have been widely used in the fundamental research of plasma-material interaction and the excitation and propagation of plasma collective wave and instability. The energy of ion beam and the proportion of the beam to the sheath have not been controlled independently when the plasma system is studied for wave excitation or sheath structure. The main work of this paper is to add two isolation grids between the source chamber and the target chamber of the double plasma device and form an ion beam-background plasma system in the target chamber through its bias difference. Ion distribution is diagnosed by a self-calibrated deceleration grids ion energy analyzer. The main conclusions are as follows: 1. The ion distribution function in the experimental region contains bimodal structure, a group of isotropic background ions and a group of isotropic background ions. Beam ion with directional energy. The energy of the beam ion can be controlled almost independently by adjusting the voltage difference or discharge voltage between two isolated grids, and the effect of these two discharge parameters on the beam current ratio is negligible. The beam current ratio is mainly determined by the heating current of the hot cathode, which has a weak influence on the beam energy. Therefore, the heating current of the hot cathode can be controlled by controlling the heating current of the hot cathode. The beam proportions can be controlled independently by adjusting the bias difference between two isolated grids or the discharge current properly. However, the change of neutral gas pressure results in the simultaneous change of beam energy and beam proportions. 2. The results of sheath potential distribution diagnosed by emission probe show that the sheath is asymmetrical upstream and downstream of the plate in the beam-plasma system, and the sheath is thicker than upstream. The sheath shrinks with the appearance of ion beam, and the sheath thickness becomes thinner with the increase of ion beam energy and beam density. The sheath of the grid is always much thinner than that of the plate in the presence of transmittance. In addition, the increase of pressure leads to the decrease of beam energy and density, which leads to the thickening of the sheath. In this work, a steady-state magnetic mirror device (SMM) is constructed. The diameter of the SMM is much larger than that of the magnetized plasma, and the magnetic field intensity in the center of the axis is more than 1200 Gauss. It provides an experimental platform for the basic research of EICW excitation and magnetized plasma sheath structure. In a small test vacuum chamber, the magnetized plasma is produced by hot cathode filament discharge and the EICW excitation experiment is carried out by using a small grid plus external driving signal. The following conclusions are obtained: 1. The temperature of the electron in the magnetic plane of the hot wire is two-temperature, one group corresponds to the background electrons and one group corresponds to the primary electrons, while the temperature of the intermediate electrons in the hot wire is only one-temperature, which corresponds to the background electrons. The frequency of the wave increases with the increase of the magnetic field, and the dispersion relation is in good agreement with the EICW, which verifies the feasibility of the external driving signal exciting large-scale EICW.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O53

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本文編號：2184073