同轴圆柱构型中直流辉光放电的局部特性研究：非线性效应与电子温度变化的实验与理论分析

本文推荐：该研究通过Langmuir探针（Langmuir probe）技术对同轴圆柱构型中的直流（DC）辉光放电进行局部测量，结合非线性流体模型与高阶谱数值模拟，揭示了等离子体密度（ni）、电子平均能量（ωe）和电势（φ）的径向分布规律，为工业溅射（sputtering）和气体激光（gas lasers）等应用提供了理论优化依据。

　　

Highlight

实验方法

直流（DC）辉光放电在氩气（Ar）环境中通过空心阴极构型（hollow cathode configuration）实现，采用同轴不锈钢电极（内为实心圆柱，外为空心圆筒），真空腔背景压力达10^?2 mbar。通过针阀控制Ar流量，Langmuir探针沿径向移动测量等离子体核心参数。

理论模型

假设单原子惰性气体中，电离由电子-中性原子碰撞引发，同时考虑电子-离子复合。忽略磁场（magnetohydrodynamic effects），正离子通过弹性碰撞交换能量。模型引入非线性项与电子能量空间变化，突破了传统流体模型的简化假设。

结果

Langmuir探针重建的离子密度（n_i）、电子能量（ω_e）和电势（φ）分布显示：在气压与电压调控下，实验数据与理论预测及谱方法数值解定性吻合，证实了非恒定电子温度对等离子体结构的显著影响。

结论

该研究通过多尺度方法解析了同轴辉光放电的径向特性，为等离子体改性（plasma modification）和惯性静电约束（inertial electrostatic confinement）技术提供了新见解。