空心阴极放电的电场分布与计算

目录

中文摘要、关键词…………………………………………（）1、绪论………………………………………………………（）1.1应用前景…………………………………………………（）

1.2本课题研究的目的、意义和主要研究内容…………（）

2、空心阴极放电原理及一般特性………………………（）2.1模型描述………………………………………………（）2.2快电子模型………………………………………………（）2.3模拟方法…………………………………………………（）

2.4算法………………………………………………………（）

3、电场的分布及计算………………………………………（）3.1电场的分布………………………………………………（）3.2电场的计算………………………………………………（）

3.3讨论………………………………………………………（）

4、结论………………………………………………………（）参考文献……………………………………………………（）英文摘要、关键词…………………………………………（）附录…………………………………………………………（）

空心阴极放电的电场分布与计算

摘要:

运用粒子和流体组合模型理论研究了空心阴极放电中阴极面上二次电子发射对阴极面上的电场、离子流和离子密度沿阴极截面的空间分布的影响.得到放电稳定状态时的电场径向分布和带电粒子的密度分布。利用模拟结果研究了基板偏压为-250 V和-400 V放电条件下的空心阴极放电特性。结果表明, 从阴极面发射的电子在进入负辉区后,可以形成振荡电子,因而具有增强电离的作用。放电中存在空心阴极效应,放电时的等离子体区在阴极管的中心轴附近,且改变基板偏压对电子密度、粒子密度的空间分布有所影响,随着基板负偏压增加更有利于沉积均匀致密的薄膜。

关键词: 空心阴极放电,粒子模拟,流体组合模型

1绪论

空心阴极放电(HCD)是一种特殊形式的辉光放电,其负辉区(NG)和阴极位降区(CDS)被阴极表面包围在管的内部。由于这种特殊的阴极几何结构,使得负辉区内产生的所有离子几乎都能轰击阴极表面,从而对二次电子发射及阴极溅射产生作用。而电子在管内阴极表面之间来回摆动,提高了负辉区和阴极暗区内的电离、激发等碰撞过程的几率,使得电流密度和光强度大大增加。由于它的这些特点使其在光谱分析、真空镀膜、表面处理和气体激光器等领域得到广泛的应用,特别是近几年来在GaN、β-C3N4等新型材料的合成及材料表面改性方面的应用更是受到广泛关注。

为了提高使用效率,人们希望了解其具体的放电过程。在过去的20年中,大量的一维和二维模拟方法应用于直流和射频放电领域。而流体模拟、粒子模拟和混合模拟技术则是低温等离子体放电模拟中最常用的模拟技术。在空心阴极放电领域,赖建军等应用自恰模型(Monte Carlo模型和流体模型的混合体),通过将快电子和慢电子与离子进行分别处理,得到了Ar气在槽型空心阴极放电中的二维模型;Donko Z.也使用了类似的方法,但是他们没有给出电子平均速度的空间分布。姚细林和周俐娜等分别用MonteCarlo模型和流体模型模拟了亚毫米量级的微空心阴极放电,属于高气压下的空心阴极放电。本文针对空心阴极放电碳氮薄膜沉积系统,通过XOOPIC粒子模拟软件对Ar气在碳管空心阴极中的低气压放电作二维模拟,并对空心阴极放电的基本特征作一些理论探讨。

1.1应用前景

MHCD在平板准分子光源（UV和VUV波段）和等离子体显示领域可望大有用武之地，这也是目前研究的较多的一个应用方向。与介质阻挡放电相比，它具有如下几点诱人的优势：(1)电极结构简单紧凑。(2)若采取脉冲激励方式，峰值电压只需要几百伏，而介质阻挡放电需要一千伏以上，相应的半导体开关元件比介质阻挡放电激励要便宜。(3)采取脉冲激励方式时可获得高的电光转换效率。(4)可采取串联阵列方式提高辐射出射度。形成完善的加工工艺，提高工作寿命将是今后的主要目标。微空心阴极放电自持（MHS）的辉光放电，能解决高气压下辉光放电向弧光放电转换的问题，产生大体积辉光等离子体，广泛应用在电磁波吸收，表面处理，薄膜沉积，气体污染净化，气体激光器等方面。由于MHCD特殊的空心阴极效应，能产生大量的高能电子，因此有望在此基础上作出电源要求度低、构造简单紧凑的Ar、Xe等惰性气体激光器。

1.2本课题（不恰当）研究的目的、意义和主要研究内容

本课题的研究的目的，旨在对不同结构的微空心阴极放电的理论上作出探索性的研究。

在理论上，利用流体模型方法对直流激励下的不同结构微空心阴极放电进行了二维数值模拟，建立了Boltzmann方程和Possion方程的差分格式，利用matlab软件采用求解Boltzmann方程和Possion方程的联立方程组。利用这种方法可以解出稳定放电时的电子离子浓度、电子能量、电场分布等参数，分析了微空心阴极放电的基本特性，并模拟了压强、放电结构、放电结构对放电结果的影响。

2空心阴极放电原理及一般特性

一切电流通过气体的现象就是气体导电或气体放电，气体放电的回路示意如图，电流通过气体时，会发生很多特殊的现象，如发光（辐射波长、发光亮度、发光分布可能不一样），发声效应，化学反应、电极和气体的发热等。

可根据放电中占主要地位的基本过程以及放电时的特有现象对气体放电进行分类。也可按维持放电是否有外界电离剂而把放电划分为非自持放电与自持放电（由非自持放电发展到自持放电的过程为着火过程或气体击穿）也可以按放电是否随时间变化而分为稳态放电和非稳态放电，稳定放电的一切参数在放电空间的每一定点上均不随时间变化，非稳态正好相反。

在直流电流源作用下发生的稳态放电形式又可以划分为：非自持暗放电、自持暗放电、准辉光放电、正常辉光放电、反常辉光放电、孤光放电、电晕放电等。而非稳态放电形式有低频交流放电、火花放电、高频放电和脉冲放电等。具体的放电特性要取决与管内条件和回路条件。

空心阴极放电（Hollow Cathode Discharge ）是一种特殊形式的辉光放电。它具有工作气压高，维持电压低，粒子反转数多，以及其他一些优点，故在很多地方有用武之地。正常辉光放电阴极暗区中的电子运动状态象垂直于阴极表面的一组平行电子束，如果把阴极制成圆筒形，即所谓空心阴极，则电子束将彼此汇合，使负辉光并合在一起，发光更明亮且均匀。随着放电电流密度的增加，往往阴极位降减少，阴极发热一般也不厉害。这与反常辉光放电时的情况不完全相同。因此，空心阴极放电是一种特殊形式的辉光放电。它既不同与一般的正常辉光放电，也不同于反常辉光放电。

空心阴极放电实验装置如图1-3所示。放电管的阴极是由两个距离可变的并行钼电极组成，阳极是一个直径较大的圆环A 。管内冲133Pa 的氖气，两个阴极1C 和2C 之间的距离D 较大时，A 和1C 、2C 间都产生正常

辉光放电，两者的放电互

不影响。但当D 缩短到一定距离时（在这个实验中D=1.5～1.0cm ），原来互不相干的两个负辉区就并合在一起，发生空心阴极放电现象。由于空心阴极放电的阴极位降比反常辉光放电的阴极位降小得多，因此放电电流密度的增加并不完全靠正离子轰击阴极所引起的次级电子发射来实现，而是依靠电子在阴极间的来回振荡和紫外光子以及亚稳态原子轰击阴极所引起的次级电子发射。若电子在1C A 放电空间内受到电场的加速作用，进入2C A 空间将受到电场的减速作用，使电子在1C 和2C 间来回振荡，导致电子与气体原子的碰撞次数增加，电离效率大大增加。两个阴极间的距离很小，合并的负辉区中产生的紫外光和亚稳态原子，不便到管壁和阳极上，它们很容易落到两个阴极上而引起次级电子发射。这就是空心阴极放电的原理。

2.1模型描述

粒子模型的模拟对象是选定的一定数目的粒子(超粒子),通过跟踪等离子体中这些带电粒子的运动轨迹来建立不同种类粒子的动力学模型。因为是通过求解基本物理方程(Newton-Lorentz 粒子运动方程和Maxwell