轴对称磁化圆柱形电容耦合等离子体放电的实验研究

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Experimental Studies of an Axially Symmetric Magnetized Cylindrical Capacitively Coupled Plasma Discharge

轴对称磁化圆柱电容耦合等离子体放电特性研究表明，通过调节RF功率（20-100W）、气体压力（1-3Pa）和磁场（0-60G），电子能量分布函数（EEDF）形态从麦克斯韦型变为Druyvesteyn型，电子密度增至8×101? m?3，温度升至5eV，等离子体电位下降至25-55V。实验采用自研RF补偿Langmuir探针和二阶谐波技术，验证了粒子与能量平衡方程在氩气放电中的有效性。

　　

摘要：

本研究对轴对称磁化圆柱形电容耦合等离子体（CCP）进行了实验研究。放电过程发生在一对同轴圆柱体之间，以实现等离子体的方位角约束。通过使用自主研发的射频补偿朗缪尔探针（RF-compensated Langmuir probe, LP）和二次谐波技术（Second Harmonic Technique, SHT），系统地研究了射频功率（20–100 W）、气体压力（1–3 Pa）和磁场（0–60 G）对电子能量分布函数（EEDF）、电子密度、温度以及等离子体电势的影响。在未磁化的情况下，随着射频功率的增加，电子能量分布函数的形状在约3 eV的电子温度范围内仍保持麦克斯韦分布。另一方面，电子密度从约4×10^15 m^-3增加到约8×10^15 m^-3，等离子体电势也从约55 V升高到约110 V。在磁化条件下，随着气体压力的增加，由于欧姆加热效应，电子能量分布函数的形状从麦克斯韦分布变为德鲁维斯特因分布（Druyvesteyn distribution）。等离子体密度从约6×10^15 m^-3增加到约18×10^15 m^-3，电子温度随着磁场强度的增加而升高至约5 eV（最大磁场强度为60 G）。同时，由于电子约束作用和壁面损耗的减少，等离子体电势显著下降至约55–25 V。通过使用针对氩气放电推导出的粒子和能量平衡方程，验证了等离子体密度和温度随射频功率变化的整体趋势。