尘埃等离子体鞘层的玻姆判据

《尘埃等离子体鞘层的玻姆判据》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、第0’卷第’期%$$&年’月物理学报WG9)0’，VG)’，X+EBH，%$$&"$$$6’%($M%$$&M0（’$’）M$3(’6$0OPQORST*UPO*UVUPO"%$$&PH8=)RHY?)*GB)"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""尘埃等离子体鞘层的玻姆判据!!王正汹刘金远邹秀刘悦王晓钢（大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，大连""#$%&）（%$$’年&月"日收到；%$$’年&月%(日收到修改稿）采用流体

2、方程和自洽电荷变化模型研究了尘埃等离子体鞘层的玻姆判据)讨论了离子临界马赫数和尘埃粒子临界马赫数随尘埃密度变化的关系，以及尘埃表面势随尘埃密度变化的趋势)由于鞘边尘埃粒子的存在，离子必需以大于声速的速度进入鞘层；随尘埃密度的持续增加，离子的临界马赫数增加到一个最大值后开始逐渐减小)数值计算得到的结果满足*+,-../势的定性分析)关键词：等离子体，鞘层，玻姆判据!"##：0%%01，0%&$2，0%%0"C引言%C鞘层模型的流体方程尘埃粒子在空间等离子体和低温等离子体中广考虑一维稳态（!!I$）的等离子体直流鞘层

3、模泛地存在)在半导体器件刻蚀和薄膜沉积等的等离型，等离子体是由热电子、冷离子和冷尘埃粒子构［"4—%"］子体处理工艺中，尘埃粒子更是不可避免地从放电成)假设鞘区位于"I$和壁之间（鞘层区"J器壁或材料表面以及加工等离子体中产生并生长)$），在鞘边"I$处，静电势"I$，电子、离子和尘产生尘埃粒子又常常聚集在等离子体边界附近（等埃粒子的密度#，#，#满足准中性条件.$8$-$离子体鞘层），造成被加工材料的污染，严重地影响#8$K#.$L#-$$-$I$，（"）了产品的质量)因此，为了控制尘埃粒子在等离子式中$-$I

4、%-$M&，&为电子电荷的大小，%-$为鞘边体边界的运输，必须了解离子和尘埃粒子在等离子处尘埃的电荷)体鞘边的性质)假设稳态电子处于热平衡状态，密度#满足.近十几年来，等离子体鞘层的结构和性质已经玻尔兹曼关系［"—%%］被广泛研究)关于无尘埃等离子体鞘层的玻姆#.I#.$.;（N&"M’.），（%）判据，DE+=F98=和2+,+=G/8BH等人近期已做了一些研［%’—’%］式中’.为电子温度)取无量纲量(I"M#.，).I究)但是到目前，尘埃等离子体鞘层的玻姆判%"M%#.M#.$，$IK"&M’.，#.I（’

5、.M&!#.$&）为电子德据研究尚不够系统)拜长度，那么方程（"）的无量纲式为本文采用流体方程和尘埃粒子充电方程自洽模).I.;（NK$）)（’）型来研究尘埃等离子体鞘层的玻姆判据)电子遵循离子在进入鞘区前被弱的预鞘场加速到速度玻尔兹曼分布，离子和尘埃粒子遵循流体方程)尘埃粒子的电荷变化由打到尘埃粒子的电子流和粒子*8$，其大小通常大于粒子热速度，从而被当作冷流体处理)其运动遵从连续性方程和动量方程)流来决定)数值计算得到的结果揭示了鞘边离子临界马赫数和尘埃粒子马赫数随尘埃密度变化的关#8*8I#8$*8$，（&

6、）系，最后用*+,-../势方法定性地验证了本文的+8*8!"*8IK%8!"，（0）结果)式中#8，*8，+8分别为离子密度、速度和质量)取无!国家自然科学基金（批准号："$"30$"’）和国际合作基金（批准号："$$"$3#$4$3和"$"#$&%$3((）资助的课题)!通讯联系人)567+89：:;<+=,>?@A-.=@)-9A@).-A)B=.1(物理学报)7卷量纲量!!"!!#$!%#，"!"#!$$!%，&!"!!$!!#，’!"1!*1%"#，（&)）&$’#!#$#!为离子临界马赫数，$!%"（

7、(%$)!）为离子声式中1%，1!分别为到达尘埃粒子上的电子流和离子速，那么便可由方程（(）和（)）得到电子和离子的流-根据轨道理论（9:;理论），电子流的表达式为&$’密度’0(%1%"+!-/()!%2（%"/）-（&,）&"（&*’"$’’）+&$’，（,）!)%!!""（’’*’"）&$’-（.）当"/"#时，2%"%<（="/）；当"/>#时，2%"（&*!!在实验室低温等离子体装置中，当中性气体气"/）-离子流的表达式为压不很高时，可以忽略中性气体碰撞力和热泳’’/+/1!"!-/!!#!(&+’)-

8、（&.）力［,，&.］；对于尘埃颗粒很小时，重力也可以忽略不-)!#!将（&,）和（&.）式代入（&)）式并且无量纲化，可以得计，这样的忽略不会影响等离子体鞘边的性质-设到关于尘埃表面势"、鞘层中电势"和离子马赫尘埃粒子进入鞘层时具有速度#是向着壁的，那//#数之间关系的表达式为么尘埃粒子遵从连续性方程和动量守恒方程!/#/"!/##/#，（0）2（"）"’（&+!,）&