外加电子源的平行板电极法离子引出特性一维数值模拟研究

【作者】 陈坚； 郭恒； 袁程； 杜雪； 俞荣君； 赵凡； 李和平； 姜东君； 周明胜；

【机构】 清华大学工程物理系；

【摘要】 离子引出过程往往是一个涉及到多场、多尺度耦合的复杂物理过程,其中预测与调控离子在外加电磁场中的引出通量对于包括材料处理、刻蚀、质谱及同位素分离等实际应用至关重要。在光致电离等离子体的离子引出过程中,由于等离子体自身不断衰亡,因此,如何提高离子引出通量,从而缩短离子引出时间、提高离子引出效率变得十分重要。其中,经典的引出方法是平行极板静电场引出法,即在束缚等离子体的两块平行极板间施加直流偏压,从而使得离子在外电场的作用下不断被引出至收集板。然而,由于电子与离子在外电场中的迁移率存在很大的差异,于是在阴极附近出现电荷分离,形成Child-Langmiur鞘层;而鞘层的形成则会屏蔽外加电场,导致外电场无法穿透整个等离子体区域,从而无法通过单纯地提高引出电压来获得高的离子引出效率。本论文基于等离子体鞘层理论,提出通过外加电子源的方式抑制壁面附近的电荷分离,从而达到削弱鞘层对外电场屏蔽效应的目的。一维非平衡数值模拟结果表明,外加电子源可以很好地调控两极板间等离子体的电位分布,从而使得外加电场能够穿透整个等离子体区域;在其他条件保持不变的情况下,外加电子源的引入使得离子引出时间显著缩短。更多还原