伴有二次电子发射的磁化等离子体鞘层结构特性

　　建立了包括电子、离子以及器壁发射二次电子的磁化等离子体鞘层流体模型,采用四阶龙格库塔法数值研究了伴有二次电子发射的磁鞘结构特性。模拟结果显示二次电子发射对于弱磁等离子体鞘层中的离子密度影响较大,而对于磁场较强的等离子体鞘层,鞘层中离子密度分布主要由磁场来决定。磁场的存在可以促进器壁电子的发射,磁场的增加或二次电子发射系数的增加都将使得鞘层厚度的减小,同时将导致沉积到器壁的离子动能流发生变化,从而直接影响器壁材料的性能。

　　在等离子体材料表面改性、合成薄膜及刻蚀等工艺过程中, 等离子体鞘层的研究始终是一个非常重要的问题。等离子体鞘层的形成主要是由于组成等离子体中的带电粒子的速度不同, 而在器壁附近形成的非电中性区域。鞘层的特性, 如鞘层内的电场分布、带电粒子密度分布、鞘层度及入射到鞘层器壁表面的带电粒子能量分布等都直接影响着等离子体的应用[1-9] 。

　　如今, 对于电子、离子成分的磁化等离子体鞘层的研究已经比较系统[5-13] 。1982 年Chodura[5]首先在没有考虑电离和碰撞的情况下利流体模型研究了斜磁场下的鞘层特性, 研究结果显示磁预鞘和鞘层宽度依赖磁场的角度, 而等离子体和器壁之间总的电势差不依赖于磁场的大小和角度。2001 年Sato[7] 通过实验研究认为对于磁化等离子体鞘层中的外加磁场可以粗略分为弱磁场、强磁场和极强磁场。2002 年Bornali[8]通过实验进一步研究了在弱磁场的情况下, 磁场强度的增强(66 y 388) @ 10- 4T和磁场角度的减小对于鞘层结构特性的影响。2008年邹秀等[10-12] 使用流体模型, 分析了等离子体鞘层的玻姆判据与磁场有关, 并且讨论了斜磁场情形下的鞘层结构, 得出在适当的条件下, 洛仑兹力的作用使离子在某些区域产生相对聚集, 离子密度分布产生波动的结果。

　　但是在薄膜沉积以及磁场等离子体探针理论等问题的研究中, 由于负离子、尘埃粒子等不同成分带电粒子的出现, 使得磁化等离子体的鞘层特性受到不同程度的影响, 这些在文献[13-15] 中都做了一定的研究。近年来, 在推进器、磁场探针理论等应用中由于器壁材料的情况, 鞘层中的高能电子与器壁料撞击会使得器壁发射出大量的二次电子, 二次电子发射对非磁化等离子体鞘层的研究已经比较充分, 器壁二次电子发射系数增加, 鞘层空间电势升高, 电子离子密度增加[16-20] 。但是随着实验和理论研究的深入, 对伴有二次电子发射的磁化等离子体鞘层的研究已经逐渐成为一个新的研究方向[21-23] 。2000 年Tskhakaya[21] 采用动力学模型讨论了在磁化等离子体鞘层中二次电子发射的情况,在磁场大小和角度一定的情况, 得出发射系数增加,鞘层内的快速电子作用减弱, 到达器壁的电子能量流跟着增加。2011 年Yevgeny 等[ 23] 进一步通过实验阐述了鞘层中的电子在电磁场的作用下与器壁发生碰撞的情况。尽管上述一些文献已经采用动力学模型对含有二次电子发射的磁化等离子体鞘层做了一定的研究, 但二次电子发射对不同磁化程度等离子体鞘层的影响研究还不够深入。本文将建立一个包含二次电子发射的磁化等离子体鞘层的流体模型,通过数值模拟研究不同发射系数对磁化程度不同的层结构产生的影响, 所得结果对鞘层特性以及器壁材料等相关实验参数的选取有一定的指导意义。

　　本文主要研究了伴有器壁发射二次电子的磁化等离子体鞘层结构特性。通过模拟发现, 在伴有二次电子发射的磁化等离子体鞘层中, 二次电子和磁场的存在均使得鞘层的厚度变小。对于弱磁化等离子体来说, 二次电子发射对鞘层中的离子密度分布影响比较显著, 而随着鞘层中磁场的增强, 离子分布逐渐由磁场决定。同时磁场的存在, 促进了器壁的二次电子发射。此外, 二次电子发射系数和鞘层磁场的增大, 将导致沉积到器壁的离子动能流降低, 从而增强等离子体器壁材料的使用性能。

　　关键词：等离子体;鞘层;二次电子发射;磁场

　　Abstract: The magnetized plasma sheath was modeled in fluid dynamics,with proper considerations given to the electrons,ions and secondary electron emitted form the wall.The impacts of the secondary electron emission(SEE) on the structure of the magnetized plasma sheath were simulated based on the forth-order-Rung-Kutta method.The simulated results show that the SEE significantly affects the weakly magnetized plasma sheath,and that the ion density distributions in the sheath of the strongly magnetized plasma depend on the magnetic field.Besides,the magnetic field results in an increase of the SEE.Interesting finding was that the width of the plasma sheath decreased with an increase of either the magnetic field or the coefficient of the SEE.Depending on the magnetic field and SEE,the bombardment of the impinging ions and electrons continuously damages the walls of the vacuum chamber.

　　Keywords: Plasma,Sheath,Secondary electron emission,Magnetic field

　　基金项目: 国家自然科学基金项目(10875024、10975026和11005025)资助项目;; 辽宁省教育厅高校科研基金资助项目(2009A047);; 国家重点基础发展研究计划(2009GB105004和2009GB106002)资助项目;; 安徽省高等学校优秀青年人才基金资助项目(2012SQRL116)

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