螺旋波等離子體特性及其應用

付 唯

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

螺旋波屬于哨聲波系列。當螺旋波在等離子體中傳播時，能使大面積的電子得到加熱。目前，國內(nèi)外的研究表明，螺旋波驅(qū)動等離子體是一種比較適合稀薄氣體電離的高效放電方式。Boswell[1]實現(xiàn)了接近100%的氣體電離效率，隨后，很多國內(nèi)外學者對其高電離效率的物理機制進行了探究，但其超高電離效率的產(chǎn)生機制至今仍不明確，在低氣壓下放電存在模式轉(zhuǎn)換和密度不穩(wěn)定現(xiàn)象。螺旋波等離子體由于電離效率高、磁場約束小等優(yōu)勢，已經(jīng)受到人們關(guān)注，且應用領(lǐng)域較為廣泛，如在材料領(lǐng)域進行刻蝕，再如航空航天領(lǐng)域的等離子體推力器等。隨著科研人員對螺旋波等離子體產(chǎn)生機制的不斷探究和特性研究，其應用領(lǐng)域變得更加廣泛，價值潛力越來越大。

1 激勵機制

螺旋波等離子體源由磁場、射頻天線、放電腔室構(gòu)成，具有1018～1020m-3的電子密度，但目前對螺旋波產(chǎn)生的高密度等離子體的物理機理、螺旋波能量耦合到等離子體中的物理方式始終沒有給出確切的解釋[2]。最早Boswell提出螺旋波等離子體的能量吸收機制為朗道阻尼，是波與熱電子間的相互碰撞[3]。但后來F.F.Chen發(fā)現(xiàn)，當使用大放電腔室或天線長度大于半波長時，朗道阻尼機制受到限制。隨著螺旋波等離子體的研究與發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了一種表面帶有靜電性質(zhì)的波（Trivelpiece-Gould，TG），認為螺旋波等離子體能量沉積是通過兩種渠道，即TG波和螺旋波共同作用。TG波和螺旋波在磁場中的阻尼不同。在高磁場中，TG波徑向傳播受阻，無法到達等離子體中心。因此，TG波的能量在表面沉積，而螺旋波的能量在等離子體中心沉積，當磁場較低時，TG波的傳播被阻止[3-4]。

螺旋波等離子體的激勵需要轉(zhuǎn)換兩種放電模式，即電容耦合（Capacitively Coupled Plasma，CCP）模式、電感耦合（Inductively Coupled Plasma，ICP）模式。在CCP模式下，主要是靜電場維持等離子體能量沉積，加大射頻功率后，感生電磁場占據(jù)主導作用，電磁波在等離子體內(nèi)部傳播或者沿等離子體表面?zhèn)鞑?，最終被等離子體吸收，使電子密度和電離度得到提高，繼續(xù)增大射頻功率，螺旋波和TG波能量耦合增強，使電子密度和電離度繼續(xù)增大[5]。

2 螺旋波等離子體的色散關(guān)系

螺旋波模式是由與磁場B0成同一角度傳播的多種低頻哨聲波疊加而成的，色散關(guān)系式：

式中：k和kz分別是波矢的徑向和軸向分量，e為電子電荷量，n0為電子密度，B0為磁場強度，μ0為真空磁導率。

對于絕緣介質(zhì)為邊界、R為半徑的放電管中產(chǎn)生的m＝1（m為方位角模數(shù)）螺旋波[徑向電流密度Jr(R)＝0或螺旋波角向電場Eθ(R)＝0]，以下關(guān)系成立[6]：

式中：Jm為m階第一類貝塞爾函數(shù)，J′m代表貝塞爾函數(shù)的導數(shù)，m為不同方位角模式。再根據(jù)色散關(guān)系（1）對于m＝1的天線得到：

式中：Ra為等離子體半徑，由（3）式得出螺旋波的電子密度和磁場強度成正比，這也是螺旋波等離子體的判斷依據(jù)[7]。

3 影響螺旋波等離子體特性的因素

相較于傳統(tǒng)的ICP模式的等離子體和CCP模式的等離子體，螺旋波等離子體具有無電極、高密度、高電離度等優(yōu)點。其中，高密度和高電離度等特性受氣體壓強、磁場強度、天線種類影響。

3.1 氣體壓強和磁場強度對螺旋波等子體特性的影響

Sharma等[7]搭建了螺旋波等離子體源，研究氣壓對Ar螺旋波等離子體電子密度、電子溫度的影響。搭建的等離子體源由6個7 mm×7 mm的電磁鐵構(gòu)成；放電室為直徑 10.0 cm、長60.0 cm、厚0.5 cm的硼硅酸鹽玻璃；天線為 18 cm長的螺旋天線。他們利用13.56 MHz的射頻電源激勵不同氣壓下的Ar螺旋波等離子體，利用雙探針測量等離子體密度，數(shù)據(jù)表明，到達螺旋波模式后，電子密度在1018m-3左右，并得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，螺旋波等離子體密度會隨著氣壓的增強而增大；壓強越大，到達螺旋波模式的功率閾值越小。

通過調(diào)節(jié)電磁鐵通電電流來改變磁場強度，探究磁場強度對等離子體特性的影響。Sharma等[7]通過調(diào)節(jié)電流，將磁場強度參數(shù)設為200、300、400、500 Gs。實驗結(jié)果表明，當磁場強度在一定范圍內(nèi)，到達螺旋波模式后，磁場強度越高，電子密度越小，且到達螺旋波模式的功率閾值隨著磁場強度的增加而減小[7]。

3.2 天線種類對螺旋波等離子體特性的影響

激發(fā)螺旋波等離子體的天線模式分為3類：m＝1、m＝-1、m＝0，m＝1模式的天線功率耦合最佳，但原因尚不明確。其中，最具代表性和最常用的天線是螺旋天線和Boswell天線，中國科學院等離子體物理研究所的平蘭蘭等[4]利用HELIC程序，對螺旋波的耦合和功率沉積與天線類型的關(guān)系進行了數(shù)值模擬。螺旋天線在等離子體中心和邊緣處較NagoyaⅢ型、Boswell型天線有較高的徑向相對吸收功率，且NagoyaⅢ型天線和Boswell型天線在等離子體中的耦合效果差不多。沿軸向的相對吸收功率更能明顯地看出，功率耦合效果最佳為螺旋天線，耦合效果最差為Boswell型天線，通過實驗證明，螺旋天線是激發(fā)高密度螺旋波等離子體的最佳天線。

4 螺旋波等離子體的應用

目前，國內(nèi)對螺旋波等離子體的研究大多以氬氣為工質(zhì)氣體，而對于復雜工質(zhì)氣體成分，國內(nèi)主要在材料處理或其他方面進行了少量的螺旋波放電實驗。某學者利用螺旋波等離子體進行了碳膜沉積，讓氬氣和甲烷按照不同比例混合后，激發(fā)螺旋波等離子體制備碳膜。用掃描電鏡觀察碳膜，當甲烷流量為5 sccm和氬氣流量為50 sccm時，表面稀疏且顆粒狀明顯；當甲烷流量為25、45 sccm時，表面致密嚴實（氬氣流量為50 sccm）。當甲烷流量增加到65 sccm時，表面形貌再一次發(fā)生改變，由致密結(jié)構(gòu)變?yōu)榧毿≈旅芙Y(jié)構(gòu)，并可觀察到微孔結(jié)構(gòu)。當甲烷流量在85、105、125、145 sccm時，表面形貌基本保持一致，呈多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，垂直于基片生長，葉子形態(tài)?？刂萍淄榱髁靠梢詫崿F(xiàn)多種碳膜的制備，如垂直石墨烯[8]。

由于螺旋波等離子體源具有無電極、高電離的優(yōu)點，可以利用大氣經(jīng)過收集、加速、電離，大大減少衛(wèi)星攜帶的推進劑、延長航天器在軌運行壽命。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所丁亮等[9]對超低軌吸氣式螺旋波電推進進行了仿真模擬。以原子氧為工質(zhì)，通過13.56 MHz射頻加熱，進而通過磁噴口完成推力輸出全流程模擬。據(jù)仿真分析，電磁輻照的功率沉積量較低，但沉積功率的密度較高，當射頻功率為2 000 W時，達到了最大值105 W/m3。

5 展望

目前，關(guān)于螺旋波等離子體的準確激勵機制尚不明確，TG波和螺旋波相互耦合激發(fā)螺旋波等離子體的機制是人們普遍接受的，但仍然存在缺陷。對螺旋波等離子體產(chǎn)生機制的持續(xù)研究，對其應用和性能優(yōu)化具有非常重要的影響。

隨著世界人口增長和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，能源短缺問題變得越來越嚴峻，世界各國都在努力尋找煤、石油、天然氣等化石能源的替代能源，核能作為一種可以大規(guī)模開發(fā)利用的新能源，成為各國解決能源問題的重要手段。核聚變發(fā)生對溫度要求特別高，一般的加熱手段無法滿足聚變堆需求。中性束注入是受控核聚變堆芯等離子體的有效加熱方式之一，但高能離子束的中性化效率偏低，能量損失嚴重，難以滿足未來的聚變堆需求。中性束可通過正離子源和負離子源產(chǎn)生，但正離子源產(chǎn)生中性束的效率會隨著束流能量的升高而降低，而負離子源即使能量達到MeⅤ量級，中性化效率仍然不高，而中性化效率與等離子體密度有密切關(guān)系。等離子體密度越高，中性化效率越高。因此，螺旋波等離子體在核聚變中具有巨大潛力。