氬氣壓力對螺旋波放電影響的發(fā)射光譜診斷及仿真研究

引言

螺旋波等離子體源以其高電離效率和高密度特性，在電推進、材料處理等領域具有廣泛應用。然而，螺旋波放電機理復雜，能量耦合方式一直是研究難點。本文基于文檔《氬氣壓力對螺旋波放電影響的發(fā)射光譜診斷及仿真研究》，系統(tǒng)分析了氬氣壓力對螺旋波放電特性的影響，結合發(fā)射光譜實驗診斷和Helic程序數(shù)值仿真，揭示了壓力變化對功率耦合模式、等離子體密度和電子溫度的作用機制。研究旨在為優(yōu)化螺旋波放電效率提供理論依據(jù)和實踐參考。

實驗裝置與方法

實驗系統(tǒng)主要包括射頻電源、螺旋波天線、磁場發(fā)生系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和光譜診斷設備。射頻電源頻率為13.56 MHz，最高功率10 kW，采用L型阻抗匹配網(wǎng)絡降低反射功率。螺旋波天線為純紫銅右手螺旋結構，內(nèi)徑11 cm，長20 cm。放電腔室為石英管，長60 cm，內(nèi)徑10 cm。光譜診斷使用Avaspec-2048-M型光譜儀，采集200~960 nm范圍內(nèi)的譜線相對強度，并通過改變光纖探頭焦距實現(xiàn)徑向參數(shù)測量。朗繆爾探針用于離子密度輔助驗證。

光強比值法用于計算電子溫度。假設等離子體處于局部熱力學平衡（LTE）狀態(tài)，通過氬原子譜線相對強度比值求解電子溫度，公式為：Te=ln(ImλmAkgkIkλkAmgm)Ek?Em其中，I為譜線強度，A為躍遷概率，g為統(tǒng)計權重，E為激發(fā)能。參數(shù)源自NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫。

光譜診斷結果與分析

放電特性與譜線特征

螺旋波放電在氬氣工質下，原子譜線主要集中于740~920 nm區(qū)間（對應4p-4s能級躍遷），離子譜線集中于400~500 nm范圍。原子譜線強度遠高于離子譜線，表明電子電離能較強時放電強度高。圖3展示了全譜線圖，圖4為不同功率下的放電圖像，顯示高功率下放電強度顯著提升。

氬氣壓力對譜線強度的影響

在固定功率（940 W）和磁場（200 G）條件下，氬氣壓力變化顯著影響放電強度。如圖5所示，當壓力處于較低范圍（0.2 Pa < PAr< 1.0 Pa）時，譜線強度隨壓力增加而迅速上升；但當壓力超過1.0 Pa后，增長趨勢減緩，部分譜線強度趨于飽和。朗繆爾探針測量顯示離子密度變化與之相似（圖6），證實壓力增加可提升等離子體密度，但過高壓力會導致耦合效率下降。

徑向分布與電子溫度

通過調(diào)整光纖探頭焦距，獲得譜線強度的徑向分布。如圖7所示，譜線強度在徑向邊界處（r ≈ 4 cm）出現(xiàn)凸起，且隨壓力增加凸起更明顯。電子溫度計算結果表明（圖8），壓力增加使電子溫度升高，徑向中心處出現(xiàn)峰值，高壓力下功率向天線附近沉積，影響放電均勻性。

仿真結果與分析

采用Helic程序求解麥克斯韋方程組的波場耦合模型，模擬等離子體密度分布（中心軸處5×1012 cm?3，徑向拋物線型分布）、電子溫度（4.5 eV）和磁場強度（200 G）。仿真重點分析功率沉積密度、波電場和電流密度隨壓力的變化。

功率沉積密度

如圖9所示，功率沉積密度在徑向中心和邊界處存在雙峰值，分別對應螺旋波和TG波的作用。隨壓力增加，邊界處功率密度持續(xù)上升，而中心處先減后增（轉折點約0.532 Pa）。表明壓力促進螺旋波與TG波耦合，功率向邊界積累，與實驗觀察到的徑向凸起一致。

波場結構與電流密度

圖10顯示波電場徑向分量（E_r）占主導，但隨壓力增加，其邊界峰值降低，因TG波阻尼增強被局限于邊界。電流密度軸向分量（J_z）隨壓力增加而減小，電離率受限；徑向分量（J_r）先減后增，整體放電效率提高。波磁場分量變化與J_z相似，反映功率耦合增強。

討論

實驗與仿真結果表明，氬氣壓力通過影響螺旋波與TG波的耦合效率，間接調(diào)控放電特性。低壓力下（<1.0 Pa），無碰撞加熱主導，壓力增加提升電子碰撞頻率，增強功率耦合；高壓力下（>1.0 Pa），TG波阻尼增強，功率局限于邊界，導致放電飽和。適當增加壓力（如0.5–1.0 Pa）可優(yōu)化耦合效率，但過高壓力會引發(fā)阻抗失配，甚至過渡到感性放電模式。光譜診斷與仿真工具（如光強比值法和Helic程序）可靠性高，為類似研究提供參考。

結論

本研究綜合發(fā)射光譜診斷和數(shù)值仿真，系統(tǒng)揭示了氬氣壓力對螺旋波放電的影響機制：

• 實驗方面：氬氣壓力在0.2–1.0 Pa范圍內(nèi)提升放電強度和等離子體密度，譜線強度徑向邊界凸起隨壓力加劇，電子溫度徑向分布非均勻性增強。

• 仿真方面：壓力增加促使功率沉積向邊界轉移，螺旋波與TG波耦合效率提高，但軸向電流密度受限。

• 實踐意義：適當控制氬氣壓力可優(yōu)化螺旋波放電效率，為等離子體源設計提供參數(shù)指導。

本研究方法嚴謹，結果可靠，未來可拓展至其他工質氣體或磁場條件下的深入探索。參考文獻本文內(nèi)容基于文檔第39卷第8期《光譜學與光譜分析》（2019年），具體參考文獻見原文列表。

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