三維數(shù)值模擬射頻熱等離子體的物理場分布*

朱海龍 李雪迎 童洪輝

1) (山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院, 太原 030006)

2) (山西大學(xué)理論物理研究所, 太原 030006)

3) (核工業(yè)西南物理研究院, 成都 610041)

1 引 言

射頻熱等離子體因具有高溫、高焓、高化學(xué)活性特征, 被認(rèn)為是絕佳的高溫?zé)嵩春突瘜W(xué)反應(yīng)源[1,2], 在諸多高新技術(shù)領(lǐng)域有重要應(yīng)用, 特別是在難熔微米級粉末球形化[3,4]、納米顆粒合成[5,6]以及等離子體噴涂[7,8]方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢, 是近些年備受人們關(guān)注的研究熱點.

射頻熱等離子體通常是在大氣壓或者近大氣壓下產(chǎn)生, 其產(chǎn)生原理類似于感應(yīng)加熱, 因而有時也被稱為射頻感應(yīng)耦合熱等離子體.一般認(rèn)為, 射頻熱等離子體的放電方式有兩類, 即感應(yīng)線圈內(nèi)的電場激發(fā)和磁場激發(fā), 相應(yīng)地被命名為E放電和H放電.這種熱等離子體的產(chǎn)生過程可以描述為:首先在感應(yīng)線圈上施加高電壓形成高的電場強度,強電場擊穿工作氣體(通常為惰性氣體)形成初始電離, 隨著高頻振蕩振幅增大, 氣體電離程度急速上升, 電導(dǎo)率增加, 這時E放電占主導(dǎo)地位, 當(dāng)電導(dǎo)率增加并達到某一臨界值時, 感應(yīng)線圈的磁能開始釋放, 等離子體吸收磁場能, 從而形成并維持穩(wěn)定的等離子體, 此后的過程H放電占主導(dǎo)地位[9].日本科學(xué)家Razzak等[10]利用CCD相機記錄了射頻放電熱等離子體的產(chǎn)生過程, 發(fā)現(xiàn)E放電所用時間約為1 ms, 而且放電主要是在約束管的邊緣, 呈環(huán)狀.經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換后H放電成為主放電過程, 此時, 放電由邊緣向中心擴散, 形成穩(wěn)定的等離子……