螺旋波等離子體的診斷和應(yīng)用

本書深入淺出而又系統(tǒng)地介紹了螺旋波等離子體的基礎(chǔ)知識(shí)，總結(jié)了近年來(lái)該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，提供了用于螺旋波等離子體放電特性研究的實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)，對(duì)螺旋波等離子體中的許多復(fù)雜物理現(xiàn)象給予了詳細(xì)的介紹和解釋。全書共5章：第1章主要介紹了等離子體的基本概念與性質(zhì)，螺旋波等離子體的特性、應(yīng)用和研究進(jìn)展；第2章著重講述了螺旋波等離子體的診斷技術(shù)，包括探針和光譜技術(shù)，重點(diǎn)介紹了基于局域發(fā)射光譜方法發(fā)展的等離子體密度和電子溫度診斷手段，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了測(cè)量結(jié)果的可靠性；第3章基于上述探針和光譜診斷技術(shù)，講述了氬氣螺旋波等離子體的模式及轉(zhuǎn)換特性；第4章通過(guò)探針和局域發(fā)射光譜診斷技術(shù)，介紹了等離子體的空間分布特性；第5章利用數(shù)值模擬對(duì)等離子體的放電模式以及能量沉積等復(fù)雜現(xiàn)象給出了較清晰的解釋。
本書可作為高等院校物理專業(yè)高年級(jí)本科生及研究生的教學(xué)參考書，也可作為對(duì)等離子體物理感興趣的教師和研究人員的參考書，還可供從事低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域的研究人員和技術(shù)人員參考使用。

1.內(nèi)容全面系統(tǒng)：涵蓋了螺旋波等離子體的基礎(chǔ)知識(shí)、研究進(jìn)展以及實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)等方面。 2.提供實(shí)用技術(shù)：介紹了用于螺旋波等離子體放電特性研究的實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)。 3.強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐結(jié)合：通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了測(cè)量結(jié)果的可靠性，并利用數(shù)值模擬解釋了復(fù)雜現(xiàn)象。 4.適用范圍廣：可作為相關(guān)專業(yè)研究生或高年級(jí)本科生教材，也可供相關(guān)領(lǐng)域的教師、研究人員和技術(shù)人員參考使用。

等離子體是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)，被認(rèn)為是除固體、液體和氣體以外物質(zhì)的“第四種狀態(tài)”，可以通過(guò)對(duì)氣體進(jìn)一步加熱而形成。也可以認(rèn)為等離子體是一種電離化的氣體，它由電子、離子、原子或分子等粒子組成，整體呈現(xiàn)電中性或準(zhǔn)電中性，對(duì)外界的電場(chǎng)和磁場(chǎng)具有集體性響應(yīng)。螺旋波等離子體是等離子體物理學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域，涉及等離子體中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。對(duì)螺旋波等離子體的診斷和應(yīng)用的研究不僅擴(kuò)展了我們對(duì)等離子體行為的理解，還為等離子體應(yīng)用于能源、材料科學(xué)和電推進(jìn)領(lǐng)域提供了新的可能性。
不管是材料工藝還是等離子體推進(jìn)，其核心都需要產(chǎn)生一個(gè)高密度、高電離率的可調(diào)控、穩(wěn)定的等離子體源，這依賴于人們對(duì)螺旋波放電的理解和認(rèn)識(shí)。然而，螺旋波放電的高效電離機(jī)制一直是科學(xué)界備受爭(zhēng)議的問(wèn)題。螺旋波放電存在容性耦合(CCP)、感性耦合(ICP)及波耦合(W)等三種模式，不同W 模式之間也存在轉(zhuǎn)換(或跳變)，導(dǎo)致等離子體密度隨功率或磁場(chǎng)發(fā)生跳變，而這種跳變(尤其是W 模式之間的轉(zhuǎn)換)同時(shí)可能引起等離子體空間分布的變化，從而對(duì)等離子體應(yīng)用工藝產(chǎn)生重大影響。探索螺旋波放電進(jìn)入波模式的機(jī)制以及波模式下等離子體特性，對(duì)其基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都具有重大意義。
實(shí)驗(yàn)是理解放電等離子體的主要手段。螺旋波等離子體的特性參數(shù)，例如電子溫度、電子密度、等離子體電勢(shì)和粒子能量分布函數(shù)等，對(duì)于研究放電的物理過(guò)程和空間分布非常重要。目前，實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)主要有朗繆爾(靜電)探針、光學(xué)圖像和光譜測(cè)量、電路電流/電壓測(cè)試以及磁探針和能量分析儀等測(cè)量技術(shù)。通常，射頻(RF)補(bǔ)償朗繆爾探針和發(fā)射光譜(OES)是實(shí)驗(yàn)診斷中最常用的手段，用于測(cè)量RF或螺旋波等離子體的密度、溫度和電勢(shì)。然而，當(dāng)采用朗繆爾探針時(shí)，射頻源或電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)探針的測(cè)量產(chǎn)生干擾。此外，在高射頻功率下放電管內(nèi)的高溫可能會(huì)損壞探針，使得測(cè)量等離子體參數(shù)變得更加困難。為了避免這些問(wèn)題，OES實(shí)際上成為診斷螺旋波等離子體最強(qiáng)大、無(wú)侵入和原位的主要診斷方法之一，它不受射頻源或磁場(chǎng)的影響。但傳統(tǒng)OES并不具備空間分辨能力，得到的是采樣區(qū)域參數(shù)的平均值。對(duì)于非均勻等離子體，傳統(tǒng)OES難以進(jìn)行空間分辨診斷。因此，在盡可能小的擾動(dòng)下實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的OES測(cè)量，是螺旋波等離子體實(shí)驗(yàn)研究值得期待的手段。此外，在電勢(shì)雙層診斷方面，傳統(tǒng)靜電探針需要附加額外的掃描電壓而接地，難以完全避免探針尖端的不穩(wěn)定性和高密度狀態(tài)下尖端與等離子體之間的可能放電，這使得測(cè)量數(shù)據(jù)誤差增大且測(cè)量數(shù)據(jù)可信性大大降低。目前獲得的雙層電勢(shì)數(shù)據(jù)主要來(lái)自場(chǎng)滯能量分析儀，但它的尺寸較大，對(duì)等離子體的擾動(dòng)較大，且時(shí)間成本高也非常高。發(fā)射探針盡管效率較高，但同樣存在空間電荷效應(yīng)問(wèn)題。因此，采用簡(jiǎn)單、高效、無(wú)干擾或小干擾的診斷手段和測(cè)量方法，對(duì)于螺旋波等離子體源的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都極為必要。
本書寫作的目的是為將要進(jìn)入這些領(lǐng)域工作的研究生、本科生以及相關(guān)技術(shù)人員提供螺旋波源的基礎(chǔ)研究、診斷技術(shù)及其應(yīng)用的基本知識(shí)。本書全面系統(tǒng)地闡述了螺旋波等離子體的基礎(chǔ)理論知識(shí)，梳理并整合了近年來(lái)該領(lǐng)域的最新研究成果。全書共分5章，第1章重點(diǎn)闡述等離子體的基本理念與性質(zhì)、螺旋波等離子體的特性、應(yīng)用及研究進(jìn)展。第2章著重論述螺旋波等離子體的診斷技術(shù)，涵蓋探針與光譜技術(shù)，重點(diǎn)說(shuō)明基于局部發(fā)射光譜方法發(fā)展出的等離子體密度和電子溫度診斷手段，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的可信度。第3章以上述探針和光譜診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，講述氬氣螺旋波等離子體的模式及其轉(zhuǎn)換特性。第4章借助探針和局部發(fā)射光譜診斷技術(shù)，介紹等離子體的空間分布特性。第5章運(yùn)用數(shù)值模擬，對(duì)Plasma的放電模式以及能量沉積等復(fù)雜現(xiàn)象給予相對(duì)清晰的解釋。
本書可作為高等院校物理學(xué)、材料科學(xué)與工程等專業(yè)的研究生或高年級(jí)本科生的參考教材，也可供等離子體物理領(lǐng)域的研究人員以及從事低溫等離子體技術(shù)工作的技術(shù)人員參考使用。
由于作者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請(qǐng)各位讀者和同行專家批評(píng)指正。

崔瑞林
山西工程科技職業(yè)大學(xué) 

第1章　緒論 001
1.1　等離子體物理理論 002
1.1.1　等離子體的基本概念 002
1.1.2　等離子體中的波 005
1.2　螺旋波等離子體簡(jiǎn)介 010
1.2.1　磁化等離子體 010
1.2.2　螺旋波等離子體 013
1.3　螺旋波等離子體的應(yīng)用 015
1.4　螺旋波等離子體的研究進(jìn)展 017
1.4.1　螺旋波等離子體的放電模式及其轉(zhuǎn)換 018
1.4.2　螺旋波等離子體的空間分布 023
1.4.3　螺旋波等離子體的加熱機(jī)制 029

第2章　螺旋波等離子體的發(fā)生及局域診斷 033
2.1　實(shí)驗(yàn)裝置 034
2.1.1　螺旋波放電系統(tǒng) 035
2.1.2　診斷系統(tǒng) 035
2.2　Langmuir 靜電探針 037
2.2.1　探針診斷的基本方法 037
2.2.2　電子能量分布函數(shù)（EEPF） 039
2.3　被動(dòng)式浮置探針 043
2.4　磁探針 044
2.5　OES 診斷的理論模型與局域化設(shè)計(jì) 045
2.5.1　氬氣碰撞輻射（CR）模型 045
2.5.2　氬氣特征光譜譜線對(duì)比法 050
2.5.3　空間分辨OES 設(shè)計(jì) 051
2.6　LOES 的定標(biāo) 052
2.6.1　氬氣等離子體發(fā)射光譜分析 052
2.6.2　氬原子和離子特征譜線與電子密度的定標(biāo)關(guān)系 053
2.6.3　氬原子特征譜線強(qiáng)度比與電子溫度的定標(biāo)關(guān)系 055

第3章　氬氣螺旋波等離子體的放電模式及轉(zhuǎn)換 059
3.1　螺旋波的放電模式及表征 060
3.1.1　等離子體參數(shù)的變化 060
3.1.2　特征譜線的變化 061
3.1.3　外電路參數(shù)的變化 062
3.2　放電條件的影響 063
3.2.1　氣壓的影響 063
3.2.2　磁場(chǎng)的影響 067
3.2.3　放電管尺寸和形狀的影響 071
3.3　模式轉(zhuǎn)換的分析 074

第4章　氬氣螺旋波等離子體的空間分布 077
4.1　徑向分布 078
4.1.1　等離子體密度 078
4.1.2　電子溫度 080
4.1.3　特征譜線 081
4.1.4　放電圖像 083
4.2　軸向分布 084
4.2.1　天線近場(chǎng)區(qū)等離子體的分布 084
4.2.2　天線下游區(qū)等離子體的分布 089
4.2.3　螺旋波的軸向傳播 092
4.2.4　雙層結(jié)構(gòu) 096
4.3　討論與分析 098
4.3.1　天線近場(chǎng)區(qū)等離子體空間分布的分析 098
4.3.2　天線下游區(qū)的密度峰和雙層結(jié)構(gòu) 099

第5章　氬氣螺旋波等離子體的本征波模及其加熱機(jī)制 103
5.1　螺旋波和TG 波的色散關(guān)系及傳播條件 104
5.1.1　無(wú)碰撞等離子體 105
5.1.2　碰撞等離子體 108
5.1.3　純螺旋波近似 109
5.2　螺旋波的本征模 110
5.2.1　本征徑向模 110
5.2.2　本征軸向模 114
5.3　不同實(shí)驗(yàn)條件的波模分析 115
5.4　波耦合模式的能量沉積 122
5.4.1　H 波和TG 波的阻尼 122
5.4.2　能量沉積 124

參考文獻(xiàn) 131