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《高频H型放电离子源的场特性》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第15卷 第9期强激光与粒子束Vol.15,No.92003年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2003文章编号:100124322(2003)0920932205X高频H型放电离子源的场特性121唐平瀛, 丁伯南, 戴晶怡(1.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院,四川绵阳621900) 摘 要:从Maxwell方程组出发,推导了高频H型放电离子源放电空间的场分布,并采用Mafia软件进行了三维实体建模,计算了高频离子源放电击穿前和稳定
2、工作后的电磁场分布,得到了高频离子源放电空间电磁场分布的直观图像。通过比较击穿前高频电场的轴向和环向分量,得出了轴向电场在高频离子源击穿中起主要作用的结论,并进而推导出了高频离子源的击穿判据,得出了气体击穿时离子源击穿电压和放电管内气压的关系,与实验结果符合较好。 关键词:高频离子源; 击穿判据; 场分布 中图分类号:O536文献标识码:A 在高频无极环形放电离子源(以下简称高频H型放电离子源或高频离子源)放电空间,一方面,耦合线圈中的高频电流感生出穿过线圈轴心的高频磁通,从而在放电管内产生与线圈同轴的高频涡旋电场
3、,放电空间的电磁场表现为交变的轴向高频磁场和涡旋电场;另一方面,通有高频电流的耦合线圈两端存在着电压降,即存在交变的轴向高频电场,此电场将感生出与线圈同轴的高频涡旋磁场。放电空间的电磁场表现为交变的轴向高频电场和涡旋磁场。研究高频离子源放电空间的场特性是高频离子源研究的前提和基础。在高频离子源的研究中,有关E型放电的研究报道比较多,但是关于H型放电高频离子源的理论和实验研究非常少。比较典[1]型的是Thomson的H型放电理论,该理论把H型放电时的等离子体看成是导电体,并且服从欧姆定律,在只考察轴向高频磁场和涡旋电场的情
4、况下,通过求解Maxwell方程组得到了放电空间的轴向高频磁场和涡旋电场的场分布,并进而得出了H型放电的击穿判据和场特性。但实际上,对于高频H型放电离子源而言,不同分量的电磁场在放电的不同阶段所起的作用各不相同,在通常的情况下,在高频离子源放电击穿之前,轴向高频电场比环形的高频涡旋电场大得多,对高频离子源气体的击穿起着更重要的作用。1 高频H型放电离子源放电空间的场分布[2] 高频离子源的结构如图1所示。 假定线圈平面垂直于放电管轴向,不考虑边缘场效应,即认为线圈为圆柱对称,忽略放电空间电磁场的径向分量,有H=Hze
5、z+Hθeθ,Hr=0(1)E=Ezez+Eθeθ,Er=0 设线圈通过的高频电流为iωtI=I0e(2)式中:I0为电流的幅值;ω为角频率;t为时间。则相Fig.1ConfigurationofRFionsource应的电磁场的表达式为图1 高频离子源结构示意图iωtiωtH=Hz(r)eez+Hθ(r)eeθ=Hz(t,r)ez+Hθ(t,r)eθ(3)iωtiωtE=Ez(r)eez+Eθ(r)eeθ=Ez(t,r)ez+Eθ(t,r)eθ[3]由Maxwell方程¨×H=σE+ε5E/5t(4)¨×E=-μ5H
6、/5tX收稿日期:2003201206;修订日期:2003205208基金项目:国防科技基础研究基金资助课题作者简介:唐平瀛(19722),男,博士,助理研究员,主要从事特种电真空器件的研制等方面工作;绵阳市9192523信箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第9期 唐平瀛等:高频H型放电离子源的场特性933可以得到5Hz(r,t)5Eθ(r,t)-=σEθ(r,t)+ε5r5r5Eθ(r,t)Eθ(
7、r,t)5Hz(r,t)+=-μ5rr5t(5)5Hθ(r,t)Hθ(r,t)5Ez(r,t)+=σEz(r,t)+ε5rr5t5Ez(r,t)5Hθ(r,t)=μ5r5t 将(5)式变换为电磁场的复数形式,并作适当变换,有25Hz(r)15Hz(r)22++KHz(r)=05rr5r25Eθ(r)15Eθ(r)212++(K-2)Eθ(r)=05rr5rr(6)25Ez(r)15Ez(r)22++KEz(r)=05rr5r25Hθ(r)15Hθ(r)212++(K-2)Hθ(r)=05rr5rr式中22K=ωεμ-i
8、σμω(7)上述式子分别为零阶和一阶Bessel方程,其解为HzR=Hz0J0(KR)Hz0KEθR=J1(KR)σ+iεω(8)EzR=Ez0J0(KR)Ez0KHθR=J1(KR)-iεμ其中,J0(Kr)和J1(Kr)分别为零阶和一阶Bessel函数,J0(KR)和J1(KR)分别为Bessel函数在r=R处的
