直流射頻耦合放電及內(nèi)表面注入等離子體鞘層數(shù)值模擬.pdf

1、管構(gòu)件廣泛應(yīng)用于軍事與工業(yè)等各領(lǐng)域中,為了提高其性能及使用壽命,人們常采用表面改性技術(shù)。等離子體浸沒離子注入技術(shù)克服了傳統(tǒng)離子注入視線性的限制而受到了廣泛關(guān)注,但內(nèi)表面的注入處理效果常常不盡如人意。針對管構(gòu)件內(nèi)表面等離子體浸沒離子注入技術(shù)中仍存在的管內(nèi)等離子體密度低、離子耗盡快,以及管內(nèi)表面離子注入劑量均勻性差等問題,本文提出了直流射頻耦合放電及移動式中心地電極管內(nèi)表面等離子體離子注入新方法。直流射頻耦合放電技術(shù)降低并消除射頻極板自偏壓

2、,從而減小射頻極板上的離子轟擊能量,為管內(nèi)離子注入提供密度更高更純凈的等離子體。移動式中心地電極管內(nèi)表面等離子體離子注入技術(shù),采用地電極內(nèi)縮到管內(nèi)的方法提高管內(nèi)等離子體密度,同時改善管內(nèi)表面的注入劑量均勻性。
　　首先,建立了直流射頻耦合放電系統(tǒng),引入耦合正直流電位實現(xiàn)了對射頻極板上自偏壓從負(fù)值到零伏的無級調(diào)節(jié)。采用PIC/MCC模型,對直流射頻耦合放電進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬研究發(fā)現(xiàn),耦合直流電位的引入,提高了射頻放電空間中的等離子

3、體密度和電子溫度。同時隨著耦合直流電位的升高,射頻極板上的離子轟擊能量的明顯下降,從而減少了射頻極板的濺射產(chǎn)額。氣壓增強(qiáng),碰撞效應(yīng)增強(qiáng),放電空間中的電子能量和離子能量都有所下降,電子密度、離子密度都提高;射頻極板半徑增大,放電空間中的電子能量和離子能量變化不大,只有最高能量數(shù)值有所下降;射頻幅值增大,放電空間中的離子密度、電子密度以及帶電粒子能量都顯著提高。
　　直流耦合射頻放電 PIC/MCC數(shù)值模擬結(jié)果表明:耦合直流電位的引入

4、可以有效降低射頻極板上的離子轟擊能量和自濺射效應(yīng)。隨著耦合直流電位從0 V提高到250 V,離子轟擊最大能量和平均能量均明顯下降,極板上的離子轟擊劑量增大,同時濺射產(chǎn)額也下降了27％。隨著氣壓增大,射頻極板上轟擊離子劑量升高,平均轟擊能量下降,濺射產(chǎn)額也下降;射頻半徑增大,射頻極板上轟擊離子劑量增大,平均轟擊能量下降,濺射產(chǎn)額下降;射頻幅值增大,射頻極板上轟擊離子劑量增大,平均轟擊能量增大,濺射產(chǎn)額增大。
　　直流射頻耦合放電實驗

5、結(jié)果顯示,隨著耦合直流電位升高,放電空間中的等離子體密度和射頻極板上的離子流隨之增大。直流電位從0 V增大到250 V時,真空室內(nèi)等離子體密度提高了約6倍,極板上離子流增大了約20%。隨著氣壓增大,直流耦合電位的引入提高了等離子體離子流。射頻極板上僅僅施加射頻電位,射頻功率從100 W增大到400 W時離子流增大了94%,當(dāng)極板上耦合直流電位為250 V時,離子流數(shù)值增大了174%。耦合直流電位的增高,放電空間內(nèi)受到激發(fā)的氬原子和氬離子

6、各個譜線的強(qiáng)度隨之增大,放電空間內(nèi)的電子溫度略有提升。耦合直流電位從0 V增大到250 V時,射頻極板的濺射產(chǎn)物含量增大了約一倍。
　　采用PIC/MCC模型對移動式中心地電極管內(nèi)等離子體浸沒離子注入過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示中心地電極內(nèi)縮到管內(nèi)部,管口附近會產(chǎn)生吸引管外離子進(jìn)入到管內(nèi)部的電場,進(jìn)入到管內(nèi)的離子或者在等勢區(qū)內(nèi)注入到管內(nèi)表面上，或者穿越等勢區(qū)被地電極與管壁之間的徑向電場捕獲并加速注入到管內(nèi)表面上。中心地電極沿著