[硕士论文] 中国科学技术大学硕士学位论文-等离子体中热阴极鞘层结构 [复制链接]

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　　中国科学技术大学硕士学位论文 等离子体中热阴极鞘层结构 共66页，28924字
　　
摘  要
　　
本文系统地研究了一维情况下等离子体中热阴极附近具有发射电子的鞘层结构，并进行了部分实验，探讨了发射探针空间电荷效应(热发射鞘层)对诊断等离子体电位的影响。
　　
热阴极发射鞘层指的是在等离子体中热发射电极或壁附近形成的鞘层。不同于普通离子鞘，此类鞘层受到热发射电子的影响，鞘层结构及其属性都会发生很大的变化。由于热阴极表面存在大量发射电子，不能有效地被输运走，因此表面附近形成电位低于实际阴极的虚阴极结构。此时的鞘层由热发射电子、等离子体电子和离子三种成分共同决定。研究此类鞘层的结构对了解发射探针诊断等离子体电位的原理具有实际指导意义。
　　
我们首先从理论上建立等离子体中一维热发射鞘层的完整模型，系统地分析了热发射鞘层的结构。研究表明：热发射鞘层结构不同于一般的离子鞘，通常呈现电双鞘的形态，即：具有分离的发射电子鞘和离子鞘。靠近热发射表面附近，由于热发射电子很多，呈现电子鞘形态，而远离热发射表面时，热发射电子迅速衰减，等离子体成分开始起主导作用，鞘层又趋于普通的离子鞘。所以整个鞘层内存在一个虚阴极结构。虚阴极的大小和深度随着热发射强度的增强而变大和变深，随等离子体相对于阴极的电位的增大而减小和变浅。
　　
其次利用Sagdeev势的方法研究了此类鞘层的属性即：Bohm判据。研究表明：不同于一般离子鞘，热发射鞘层Bohm判据表达式变得比较复杂。鞘边界临界马赫数 不再是一个独立的常数，而是同时与等离子体相对阴极的电位差以及阴极热发射强度等参量有关，随着等离子体相对阴极的电位的增大先增加到一个极大值后又逐渐减小，同时也随着阴极热发射强度的增大而单调增大。此外我们还讨论了两种特殊情况下的热发射鞘层结构，即虚阴极恰好消失时的鞘层结构以及等离子体与阴极等电位时的鞘层结构。
　　
最后从理论上给出一维平板模型下热发射鞘层的I-V特性曲线。分析了此曲线的特点并为理解发射探针的I-V曲线提供理论依据。
　　
实验方面，参与了利用发射探针诊断双等离子体装置中平板和栅网附近鞘层结构的工作，讨论了发射探针在诊断等离子体电位时空间电荷（热发射鞘层）效应对诊断结果的影响。研究表明：当诊断主等离子体区或鞘层外电位时，发射探针空间电荷(热发射鞘层)效应会使得诊断所得的等离子体电位小于实际等离子体电位。偏差值与发射探针的发射强度有关。发射越强，偏差越大。通过降低探针的发射强度外推诊断电位可以减少空间电荷效应，从而获得较为准确的等离子体电位。通过分析一维热发射鞘层理论的I-V曲线，得到与实验结果定性一致的结论。另一方面，在诊断等离子体鞘层内的电位时，我们的结果与Wisconsin大学研究小组的结果存在分歧，他们的实验结果是：在鞘层内外，探针诊断的电位随探针发射强度的变化趋势是完全相反，而我们的结果是：鞘层内外变化趋势是一致的。有关该方面的研究还需进一步深入
　　

　　
目录
　　
摘  要    i
　　
Abstract    iii
　　
第一章 综述    1
　　
§1.1 引言    1
　　
§1.2 等离子体鞘层问题研究回顾    2
　　
§1.2.1 等离子体鞘层的理论研究    2
　　
§1.2.2 等离子体鞘层的实验诊断    5
　　
§1.3热阴极附近等离子体鞘层的研究现状    8
　　
§1.3.1 真空中的热阴极电子发射    8
　　
§1.3.2等离子体中热阴极发射鞘层的研究    14
　　
§1.4 本论文的研究内容    16
　　
第二章 等离子体中热阴极发射鞘层的结构    18
　　
§2.1热阴极发射鞘层基本理论模型    18
　　
§2.1.1 阴极与虚阴极之间区域的电荷密度分布    19
　　
§2.1.2 虚阴极与鞘－预鞘边界之间的区域内电荷密度分布    21
　　
§2.1.3 鞘层方程的边界条件    22
　　
§2.2 鞘层方程求解的定性分析    23
　　
§2.2.1 虚阴极右边鞘的广义Bohm判据及Sagdeev势    24
　　
§2.2.2虚阴极左边鞘层的Sagdeev势    26
　　
§2.3 数值计算结果与讨论    27
　　
§2.3.1 鞘内电位分布    27
　　
§2.3.2 虚阴极的大小与位置随等离子体参数的变化    28
　　
§2.3.3 虚阴极的大小与位置随热阴极发射温度的变化    30
　　
§2.3.4 鞘边界各参量的变化特征    31
　　
§2.4 几种临界情况下的热发射鞘层结构    34
　　
§2.4.1 虚阴极恰好消失时的鞘层结构    34
　　
§2.4.2 阴极与鞘-预鞘边界电位相等时的鞘层结构    35
　　
§2.5 热发射鞘层偏压与发射电流的I-U曲线特征    37
　　
§2.6 本章小结    39
　　
第三章 双等离子体装置中发射探针的部分诊断工作    40
　　
§3.1发射探针诊断等离子体电位的基本原理    40
　　
§3.2 双等离子体装置中的实验安排    44
　　
§3.2.1 实验装置简介    44
　　
§3.2.2 等离子体参数简单诊断    45
　　
§3.2.3  发射探针对等离子体鞘层的诊断    48
　　
§3.3空间电荷效应对发射探针诊断结果的影响    51
　　
§3.4 本章小结    54
　　
第四章  总结与展望    55
　　
参考文献    57
　　
致  谢    59
　　
文章发表    60

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