微波等離子體電子回旋共振放電粒子模擬分析

張 巖， 錢禹行， 劉尚合， 趙 鑫， 郭英軍， 孫鶴旭

(1.陸軍工程大學石家莊校區電磁環境效應國家級重點實驗室， 石家莊 050003； 2. 河北科技大學電氣工程學院， 石家莊 050018)

微波等離子體因其具有無極放電、放電區域集中、放電穩定等特點，在工業應用領域中尤其是功能材料的制備方面有著廣泛的應用[1-5]。而電子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)放電是微波放電的一種，相比傳統的微波等離子體系統，采用電子回旋共振放電是更為先進的低溫等離子體技術，它對微波源、微波反應腔的要求大為降低，提高了材料表面改性處理、微電子、大規模集成電路制造等領域中的低溫等離子體加工水平[6-10]。

針對電子回旋共振放電問題，中外學者已經進行了相關研究，在理論、模擬方法上的研究已經非常成熟，例如，Sakharov[11]建立了二維全波模型，計算了X極化微波束在磁化等離子體中的傳播和吸收，表明在真空磁軸上進行ECR加熱是最佳的；Sánchez-Villar等[12]利用等離子體輸運積分的混合粒子/流體模型和用于快速電磁場計算的頻域全波有限元模型對電子回旋共振推進器原型進行了數值模擬，發現外加磁場決定了器件中功率的流動和吸收，并且功率吸收主要由電子回旋共振區的徑向快速電場驅動；夏旭等[13]采用PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)方法建立2 cm的電子回旋共振離子推力器仿真模型，研究了磁場結構對離子源內等離子體與壁面電流特性的影響；柯于俊等[14]采用有限元分方法進行流體仿真，研究了極靴對 ECR等離子體特性的影響。……