关于氩-氦ikon等离子体中蓝色核心放电特性的研究

《IEEE Transactions on Plasma Science》：A Study on the Discharge Properties of Blue Core in Argon Helicon Plasma

蓝核现象在氩离子环等离子体中的特性研究。实验在5×10^-3 mbar和500 G条件下，通过RF补偿Langmuir探针、RFEA和OES分析，发现1200 W以上功率下出现中心蓝光核，Ar II谱线强度与功率线性相关，电子能量分布呈现双麦克斯韦分布特征，离子能量分布受磁场扩散影响。

　　

摘要：

在氩气螺旋等离子体中，“蓝核（BC）”现象可以在更高的工作功率和施加的磁场下观察到，它与Ar II发射、增强的电离以及等离子体的约束作用有关。在CPP-IPR的螺旋等离子体源（HeliPS）装置中，研究了工作压力为 mbar以及500 G的磁场下的氩气等离子体的BC模式。这是理解该装置中BC现象特性和机制的初步步骤。为了进行诊断，使用了射频补偿朗缪尔探针（RFCLP）、减速场能量分析仪（RFEA）和光发射光谱（OES）。为了准确识别BC现象，从朗缪尔探针数据中详细研究了放电模式转变，包括电子密度、离子密度和等离子体电势随功率变化的情况（功率范围为100至2000 W）。当功率达到300 W时，螺旋模式得以维持；而从1200 W的功率开始，可以明显观察到BC现象。通过OES数据获得Ar II发射线（434.8 nm和480.6 nm）的强度几乎与功率成线性关系，这种变化也与放电模式转变一致。在实验装置的源区研究了电子能量分布函数（EEDF），发现螺旋模式下源室中心区域的高能电子数量随功率的增加而增加。在BC条件下，偏离轴线的区域观察到了双麦克斯韦分布。在扩展区，借助RFEA研究了在发散磁场下BC等离子体的离子能量分布函数（IEDF）。

引言

自20世纪70年代初首次产生以来[1]，螺旋等离子体在航空航天推进[2]、[3]、等离子体加工[4]、半导体刻蚀[5]、用于约束聚变的离子源[6]、[7]、等离子体不稳定性及湍流的基础研究[8]等领域引起了极大的研究兴趣。射频（RF）驱动的螺旋等离子体源（HeliPSs）能够在相对较低的应用功率下实现高电离率。即使在较大的腔体体积（cm³）内，施加1200 W的功率也能获得m^?3及以上的电子密度[9]。典型的HeliPS可以根据天线与等离子体之间的功率耦合，在不同的功率范围内运行三种不同的放电模式：电容（E）模式、感应（H）模式和螺旋（W）模式。然而，螺旋模式的出现也依赖于等离子体源的几何形状以及实验条件，如施加的磁场强度和工作压力[10]、[11]。当放电模式从电容模式转变为感应模式（E-H）或从感应模式转变为螺旋模式（H-W）时，会出现急剧的密度“跳跃”。在W模式下，等离子体密度（n）随施加的RF功率呈指数增长。这种放电方式在高输入功率和高磁场下可以达到高度电离的状态，伴随着中心区域明亮的核区以及强烈的离子光发射。这种现象被称为蓝核（BC）模式。在氩气（Ar）螺旋等离子体中，由于Ar II离子线的发射，呈现出蓝色，因此得名“BC”[12]、[13]、[14]。类似的集中明亮柱状现象之前也在其他惰性气体（如氪[15]、氙[16]和氦[17]）以及分子气体（如氮[18]和氧[19]）中观察到。