放電參數(shù)變化對(duì)電感耦合等離子閉式等離子體空間分布特性研究

林 茂 徐浩軍 魏小龍 韓欣珉 武頌堯

放電參數(shù)變化對(duì)電感耦合等離子閉式等離子體空間分布特性研究

林 茂1,2徐浩軍1魏小龍1韓欣珉1武頌堯1

（1. 等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（空軍工程大學(xué)） 西安 710038 2. 93802部隊(duì) 西安 712200）

射頻電感耦合等離子體（ICP）在實(shí)際放電過(guò)程中，線(xiàn)圈的構(gòu)型、電源參數(shù)、氣壓等外部工質(zhì)條件的變化均會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，依靠實(shí)驗(yàn)很難得到多外部條件對(duì)ICP參數(shù)分布的影響機(jī)理和規(guī)律，因此需要結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行分析。該文通過(guò)建立感性線(xiàn)圈的電磁學(xué)有限元模型，分析不同線(xiàn)圈構(gòu)型下射頻電磁場(chǎng)在等離子體內(nèi)部的空間分布，研究放電參數(shù)（線(xiàn)圈構(gòu)型、功率大小）對(duì)等離子體分布影響和E-H模型下放電形態(tài)的跳變過(guò)程，并觀(guān)察進(jìn)入穩(wěn)定H模式后電源參數(shù)的變化規(guī)律，為等離子體源的小型化工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果表明：不同線(xiàn)圈匝數(shù)在不同功率條件下，電磁場(chǎng)強(qiáng)度變化對(duì)等離子功率吸收和功率耦合有較大影響；當(dāng)工作氣壓在0～20Pa時(shí)，ICP的電子密度呈軸對(duì)稱(chēng)分布，隨著放電功率、氣壓的增大，等離子體吸收的功率和電離度也隨之增加，其電子密度相應(yīng)地增大，放電功率的增加會(huì)使得環(huán)狀的等離子體區(qū)域隨之?dāng)U大，在軸向、徑向上的分布呈先逐漸增大而后在靠近腔室壁面區(qū)域迅速下降。

電感耦合等離子體 射頻功率 放電線(xiàn)圈 參數(shù)空間分布

0 引言

射頻感性放電（Inductive Coupled Plasma, ICP）是通過(guò)射頻電流在感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)分量進(jìn)而將功率耦合給等離子體。感性耦合等離子體放電能在較寬的氣壓范圍內(nèi)產(chǎn)生高密度（電子密度可達(dá)1017～1018m-3）、大面積的等離子體，且其結(jié)構(gòu)裝置簡(jiǎn)單、放電參數(shù)易于調(diào)節(jié)，在等離子體的電磁波衰減應(yīng)用上具有很大前景[1]。

電感耦合等離子體的放電過(guò)程會(huì)經(jīng)歷兩種工作模式，即低功率、小電流的容性模式（E模式）和高功率、大電流的感性模式（H模式）。研究初期，國(guó)外著名學(xué)者J.Hopwood進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究工作，通過(guò)Langmuir 探針對(duì)平面線(xiàn)圈ICP中的電子能量分布函數(shù)（Electron Energy Distribution Function, EEDF）進(jìn)行了診斷，結(jié)果表明ICP是一種高密度等離子體源（可高達(dá)1011～1013cm-3），并且通過(guò)改變外部條件可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)均勻性?xún)?yōu)化[2]。V. A. Godyak等對(duì)ICP中EEDF和電流密度進(jìn)行了測(cè)量，顯示ICP在低氣壓中存在無(wú)碰撞功率吸收現(xiàn)象和電子非局域效應(yīng)[3]。J. Amorim等在11.4 MHz的Ar-ICP中觀(guān)察到了E-H模式跳變現(xiàn)象，結(jié)果表明模式跳變與電源功率大小、頻率、線(xiàn)圈構(gòu)型、氣壓參數(shù)等因素有關(guān)[4]。Rok Zaplotnik采用20 Pa的SO2氣體介質(zhì)，設(shè)計(jì)了柱狀螺旋型感性等離子體放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明受強(qiáng)電場(chǎng)作用下等離子體被約束在射頻線(xiàn)圈附近[5]。H.Y.Chang等研究了天線(xiàn)尺寸和腔室長(zhǎng)度對(duì)等離子參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)采用直徑較大的線(xiàn)圈可以實(shí)現(xiàn)大面積放電，但隨著線(xiàn)圈直徑的增大，其長(zhǎng)度也會(huì)增加，因此回路阻抗變大，進(jìn)而導(dǎo)致天線(xiàn)電壓增加，容性耦合隨之增強(qiáng)，最終導(dǎo)致等離子體徑向不均勻的發(fā)生[6-8]。P. L. G. Ventzek等采用二維混合模擬方法研究了單頻線(xiàn)圈功率變化對(duì)等離子體分布的影響，當(dāng)4匝線(xiàn)圈輸入功率為2kW時(shí)，電子密度較高，趨膚深度較小，等離子體主要產(chǎn)生在介質(zhì)窗附近很薄的區(qū)域內(nèi)，電子被限制在局域在介質(zhì)窗下方，電子密度的均勻性較差[9]。T. Fukasawa等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將輸入功率從1kW減小到200W時(shí)，電子密度的均勻性先變好后變壞，輸入功率為600W時(shí)電子密度的均勻性最好[10]。張昀等利用 Langmuir探針測(cè)量了不同放電氣壓對(duì)等離子體參數(shù)的影響[11]。汪建等對(duì)感性放電中放電條件的變化對(duì)等離子體的影響進(jìn)行研究[12]，放電過(guò)程中容性放電模式（E模式）和感性放電模式（H模式）的轉(zhuǎn)變，功率對(duì)等離子體模式跳變的影響和容性放電與感性放電的復(fù)雜性進(jìn)行分析等，至今仍然有許多問(wèn)題需要繼續(xù)研究[13-15]。

考慮等離子體技術(shù)在電磁波衰減上應(yīng)用的實(shí)際情況，等離子體發(fā)生器需要將輸入功率高效地耦合給等離子體，能夠?qū)崿F(xiàn)較大面積的均勻性覆蓋，在滿(mǎn)足衰減需求的同時(shí)，盡可能減小發(fā)生器的空間尺寸[16-17]。因此如何能夠有效地使射頻功率傳遞給等離子體，這涉及射頻網(wǎng)絡(luò)匹配、能量耦合等許多問(wèn)題[18-19]。為了進(jìn)一步探索平面型電感耦合系統(tǒng)產(chǎn)生等離子的規(guī)律和機(jī)理，本文從電感線(xiàn)圈尺寸和電源功率等角度對(duì)等離子產(chǎn)生和參數(shù)分布特點(diǎn)進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象研究，為下一步實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。

1 電感耦合等離子體工作模式跳變及線(xiàn)圈選擇

1.1 電感耦合等離子體功率吸收模式

ICP線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可以用麥克斯韋方程組描述為

圖1 平面型ICP的結(jié)構(gòu)

Fig.1 Schematic diagram of ICP

電磁場(chǎng)可表示為

電感耦合放電等離子體中的粒子之間主要靠歐姆加熱和隨機(jī)加熱進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移。氣壓較高時(shí)，由于電子與中性粒子的碰撞頻率較高，歐姆加熱起主導(dǎo)作用。這時(shí)雖然主等離子體區(qū)域的電場(chǎng)不是很強(qiáng)，但是仍然在電子加熱中起重要作用。在一段時(shí)間內(nèi)，等離子體吸收的功率平均值為

式中，為電子電量。

圖2 ICP中功率與電子密度關(guān)系

1.2 電感耦合等離子體線(xiàn)圈選擇

當(dāng)射頻源的功率通過(guò)匹配電路傳輸?shù)骄€(xiàn)圈上，線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生射頻電流和電壓，環(huán)形的射頻電流會(huì)在空間中激發(fā)產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通量又會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)，通過(guò)不斷地碰撞、電離，將射頻功率耦合到等離子體中，因此線(xiàn)圈與等離子體的功率耦合效率至關(guān)重要[23]。功率耦合效率定義為

圖3 射頻磁場(chǎng)示意圖

在感性模式中，假設(shè)在線(xiàn)圈上方的低氣壓腔內(nèi)已經(jīng)通過(guò)容性起輝的方式產(chǎn)生一定電子密度的等離子體，并由此產(chǎn)生一個(gè)和線(xiàn)圈電流相反的單匝等離子體電流。等離子體區(qū)域的電磁場(chǎng)可以通過(guò)式（1）計(jì)算獲得。

等離子體吸收功率是通過(guò)線(xiàn)圈與等離子體之間的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此天線(xiàn)線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)特性參數(shù)的空間分布產(chǎn)生影響。天線(xiàn)線(xiàn)圈具體參數(shù)見(jiàn)表1。ICP線(xiàn)圈天線(xiàn)的主要參數(shù)包括匝數(shù)、均勻度和線(xiàn)圈位置，基本設(shè)計(jì)原則是滿(mǎn)足電磁波衰減效果同時(shí)提高能量耦合效率。根據(jù)法拉第定律對(duì)不同參數(shù)下平面線(xiàn)圈的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度B()進(jìn)行計(jì)算。

表1 天線(xiàn)線(xiàn)圈的具體參數(shù)

通過(guò)電磁學(xué)有限元模型仿真得到盤(pán)香型線(xiàn)圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖4所示。盤(pán)香型線(xiàn)圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度在線(xiàn)圈半徑1/2處附近達(dá)到最大值，由于石英腔體放置于線(xiàn)圈上方，相應(yīng)的電子密度也在腔體半徑1/2處附近達(dá)到最大值。這樣的結(jié)果使等離子體電子密度分布呈圓環(huán)狀，不均勻性增大。

圖4是放電線(xiàn)圈射頻電場(chǎng)的空間分布，射頻電場(chǎng)沿徑向分布為多峰結(jié)構(gòu)，峰值則是出現(xiàn)在每匝線(xiàn)圈的位置上。由于邊界條件設(shè)置的約束，射頻電場(chǎng)在腔室壁面和對(duì)稱(chēng)軸處均為零。由于干涉和補(bǔ)償作用，位于中部放電線(xiàn)圈上方的電場(chǎng)要強(qiáng)于兩邊線(xiàn)圈的電場(chǎng)，由此認(rèn)為射頻電場(chǎng)饋入的能量集中在該區(qū)域，并被等離子體吸收。

從磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)看，增加線(xiàn)圈的匝數(shù)，線(xiàn)圈電感增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，可以明顯改善值。但是同時(shí)線(xiàn)圈的等效電阻和寄生電容也會(huì)變大，電阻和電容會(huì)增加功率的損耗，從而影響值。所以線(xiàn)圈匝數(shù)應(yīng)根據(jù)值和激發(fā)場(chǎng)的分布選取合適的值。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文根據(jù)前期項(xiàng)目設(shè)定的固定腔體厚度（2cm）研究電感耦合等離子放電。平面型線(xiàn)圈天線(xiàn)由外徑為6mm、內(nèi)徑為4mm的空心銅管繞制而成，銅平面線(xiàn)圈天線(xiàn)的規(guī)格分為三種，線(xiàn)圈匝數(shù)分別選取1匝、2匝、4匝，分別匹配相同尺寸的放電腔室，天線(xiàn)線(xiàn)圈的參數(shù)參照表1。射頻電源及匹配系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)采用瑞思杰爾公司研制生產(chǎn)的RSG1000型，輸出頻率13.56MHz，最大輸出功率1 000W。

圖5 射頻電源及匹配系統(tǒng)

本節(jié)首先對(duì)典型放電條件下ICP的放電特性進(jìn)行了研究，放電條件為：薄層石英腔（厚度=2cm），低氣壓（10mTorr, 1Torr=133.322Pa），工質(zhì)氣體為電正性氣體Ar。其放電現(xiàn)象如圖6所示。

低氣壓感性耦合等離子體的放電過(guò)程分為兩個(gè)典型階段：第一階段為E模放電，當(dāng)功率增加至30W時(shí)，腔室內(nèi)開(kāi)始起輝，電源功率達(dá)到100W時(shí)，可以觀(guān)察到稀薄的等離子體產(chǎn)生，主要分布在電感線(xiàn)圈附近，如圖6b、圖6f、圖6j所示；第二階段為H模放電，如圖6c、圖6g、圖6k所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)功率上升至150W時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入模式跳變，在150～200W之間均出現(xiàn)跳變式增強(qiáng)的現(xiàn)象，200W之后進(jìn)入H模式，功率繼續(xù)增至300W時(shí)，不同匝數(shù)線(xiàn)圈耦合產(chǎn)生的等離子體亮度和等離子體參數(shù)均處于穩(wěn)定H模式放電，此時(shí)放電由線(xiàn)圈的感應(yīng)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。e增加的幅度最大，在容性到感性工作模式的跳變過(guò)程中，功率越低容性分量在總耦合功率中占比越大，e增加導(dǎo)致容性分量降低，提高了總的功率耦合效率。

其次，本節(jié)在COMSOL中建立ICP放電的流體模型，對(duì)等離子體放電參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 線(xiàn)圈匝數(shù)變化對(duì)等離子分布影響

首先，考慮了不同線(xiàn)圈數(shù)下等離子體參數(shù)的分布，線(xiàn)圈之間的距離保持在4cm不變，沿腔體對(duì)稱(chēng)軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度、沿腔體對(duì)稱(chēng)軸的電子密度以及4個(gè)線(xiàn)圈（匝數(shù)從1～4）的電勢(shì)分布結(jié)果如圖7所示。從圖7a～圖7c結(jié)果可以看出隨著匝數(shù)的增加，在電子擴(kuò)散和遷移過(guò)程中，遠(yuǎn)離勢(shì)阱中心區(qū)域的電離率受雙極勢(shì)的影響逐漸增大。由圖7b可以看出，4匝線(xiàn)圈中，占很大比例的低能電子由于雙極電位的限制，無(wú)法到達(dá)加熱場(chǎng)中的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，電位分布隨著線(xiàn)圈數(shù)量的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值遠(yuǎn)離中心沿徑向方向移動(dòng)，導(dǎo)致的沿徑向方向電子發(fā)生碰撞反應(yīng)，由于離子和電子的擴(kuò)散和重新組合，e峰隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增加從0cm移動(dòng)到11cm。因此，4匝線(xiàn)圈中電子密度分布更均勻，有利于研究電磁波的透射情況。

在四種線(xiàn)圈分布仿真中，選擇外部放電條件，壓力、溫度和功率均相同，電子密度分布沿軸線(xiàn)分布從圖8可以直觀(guān)地看出電子密度e在核心區(qū)達(dá)到最高點(diǎn)，隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增加，電子密度均勻性增大，匝數(shù)由橢球形變?yōu)榘靶巍?/p>

圖8 電子密度分布沿軸線(xiàn)分布

圖9 磁感應(yīng)強(qiáng)度沿軸線(xiàn)分布

在單匝線(xiàn)圈的作用下，射頻功率與石英腔耦合，氣體分子在電場(chǎng)力的作用下電離，在腔中心附近的電子加熱場(chǎng)中形成電子密度的峰值。在這個(gè)范圍內(nèi)，電子受加熱場(chǎng)影響，電子的動(dòng)能增加，電子碰撞增加，因此，等離子體的電離率增加，電子的不均勻性達(dá)到峰值。在電場(chǎng)力的作用下，在線(xiàn)圈中心附近的電子密度峰值區(qū)形成一個(gè)高電位的勢(shì)阱。隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增加，等離子體區(qū)域增大，峰值減小，峰值電子密度區(qū)域遠(yuǎn)離軸向，主要是由于電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了抵消部分外電場(chǎng)的反向電場(chǎng)，電子擴(kuò)散漂移占優(yōu)勢(shì)，從圖9電磁感應(yīng)強(qiáng)度也可以看出，隨著電場(chǎng)的減小，電子不斷向峰兩側(cè)擴(kuò)散。

圖10給出了4匝線(xiàn)圈軸向和徑向不同位置計(jì)算的電子能量分布函數(shù)（EEDFs）。可以看出，在高磁場(chǎng)下，電子能量主要集中在低能區(qū)域，高能電子（＞27eV）明顯低于低磁場(chǎng)下的高能電子（＞27eV），這主要是低磁場(chǎng)下整體電子密度較低，帶電粒子之間碰撞不足造成，高能電子因碰撞而產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移較小，所占比例高于高磁場(chǎng)區(qū)域。在強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，耦合電能增加，帶電粒子間的碰撞增強(qiáng)，因此電子密度普遍較高，同時(shí)低能電子基團(tuán)略有增加，高能電子的尾部隨著徑向距離的增加而減小，大部分電子集中在低能區(qū)域，這是由于足夠的粒子碰撞，有利于高能電子的能量轉(zhuǎn)移。

圖10 沿軸向和徑向分布電子能量分布函數(shù)

在等離子進(jìn)入H模式后，電子密度峰值超過(guò)1012/cm3時(shí)，觀(guān)察電源參數(shù)、氣壓變化情況，放電采用L型電路，自動(dòng)匹配器的1電容范圍為10～400pF，而2電容范圍為10～1 000pF，因此，根據(jù)自動(dòng)匹配器顯示數(shù)值可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)功率時(shí)1和2等具體電容值。記錄1和2的數(shù)值如圖11所示。

圖11 匹配環(huán)節(jié)電源參數(shù)變化

從圖11b結(jié)果中可以看出，當(dāng)電子密度達(dá)到1012/cm3時(shí)，射頻功率和氣壓分別為430W(5Pa)，390W(10Pa)，320W(15Pa)，圖12隨著氣壓的增大，到達(dá)H模式的所需放電功率值在減小。

圖12 放電氣壓變化時(shí)電子密度隨功率變化

最后，實(shí)驗(yàn)中選取單匝和4匝這兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)Langmuir 探針對(duì)等離子e參數(shù)在徑向分布情況進(jìn)行診斷，探針的空間位置通過(guò)真空直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器控制，間距2 cm，當(dāng)?shù)入x子體源進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單匝和4匝線(xiàn)圈的徑向e分布如圖13a和圖13b所示。

圖13 Langmuir 探針診斷的徑向ne分布隨功率的變化

在10mTorr中，電子的平均自由程e≈3cm，電子的擴(kuò)散不受氣相碰撞的限制，診斷路徑為=0.01m，單匝和4匝線(xiàn)圈均在900W時(shí)e峰值達(dá)到最大值，分別為6.6×1017m-3和7.5×1017m-3，主要原因是在一定范圍內(nèi)隨著線(xiàn)圈的增多其電感量也在增多，功率耦合效率會(huì)隨之提高，這與根據(jù)1.2節(jié)分析的匝數(shù)增多，線(xiàn)圈天線(xiàn)提供更多電感量并且值相對(duì)更高的結(jié)果一致，因此4匝線(xiàn)圈的功率耦合效率相對(duì)單匝線(xiàn)圈更好。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，圖4結(jié)果中環(huán)向加熱電場(chǎng)的強(qiáng)度峰值處在偏離軸心的位置上，但圖13結(jié)果中電子密度的峰值區(qū)位于腔體中心位置(=0m)，遠(yuǎn)離平面線(xiàn)圈附近，并且隨著徑向距離的增大，電子密度e呈減小趨勢(shì)，這是由于等離子體中的直流雙極性電勢(shì)分布與電場(chǎng)強(qiáng)度不同，電勢(shì)在腔體中心區(qū)域達(dá)到最大并形成了一個(gè)束縛電子的勢(shì)阱，可以約束總能量小于器壁電位值的電子，即大量的低能電子被束縛在主等離子體區(qū)域內(nèi)，造成了e的峰值區(qū)遠(yuǎn)離加熱電場(chǎng)強(qiáng)度峰值區(qū)。

圖14給出了電子溫度e在徑向（=0.01m）距離上的診斷結(jié)果，由于H模式中角向的加熱電場(chǎng)較小，200W時(shí)由于存在一定的容性放電分量，導(dǎo)致e較高；單匝線(xiàn)圈900W條件下在腔體中心的e為2.96eV，4匝線(xiàn)圈的e為2.57eV，除了靠近腔體壁面鞘層部分之外（＞0.09m），e的空間分布近似均勻分布，e隨功率增大而小幅減小，功率的變化對(duì)e的空間分布影響并不明顯，主要原因是隨著射頻功率的提高而增加，造成單位體積內(nèi)的碰撞加劇使電子能量得到消耗，導(dǎo)致e的減小。根據(jù)第1節(jié)理論分析，電子越靠近線(xiàn)圈的區(qū)域e應(yīng)該越高，但實(shí)驗(yàn)中Langmuir 探針的診斷位置在腔體的中間位置，無(wú)法在軸向進(jìn)行診斷，因此在0.02m＜＜0.08m區(qū)域內(nèi)，e增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。

3 結(jié)論

對(duì)低氣壓下平面型ICP功率吸收模式和模式跳變進(jìn)行了理論分析，并觀(guān)察了不同線(xiàn)圈匝數(shù)隨功率變化對(duì)E-H模型下ICP放電形態(tài)的影響，采用Langmuir探針診斷了典型氣壓下的Ar-ICP的e分布，在10mTorr下，結(jié)果表明線(xiàn)圈的匝數(shù)和構(gòu)型會(huì)對(duì)等離子參數(shù)分布和耦合效率產(chǎn)生影響，相同功率下4匝線(xiàn)圈的構(gòu)型參數(shù)分布較單匝線(xiàn)圈相對(duì)均勻，耦合效率更高，且與不同線(xiàn)圈匝數(shù)模式跳變的功率閾值沒(méi)有太大變化；通過(guò)計(jì)算不同線(xiàn)圈構(gòu)型的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)影響ICP電子密度呈軸對(duì)稱(chēng)分布，且射頻功率成正比；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)和COMSOL對(duì)平面型ICP參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行分析，電子密度達(dá)到1012cm3時(shí)匹配電路可調(diào)電容1在150pF上下波動(dòng)，2在752pF上下波動(dòng)，一定范圍內(nèi)隨著氣壓增大，進(jìn)入H模式的放電功率值在不斷降低，與仿真得到的結(jié)果一致。

[1] Xu Shuyan, Ostrikov K N, Li Y, et al. Low-frequency, high-density, inductively coupled plasma sources: operation and applications[J]. Physics of Plasmas, 2001, 8(5): 2549-2557.

[2] Hopwood J, Guarnieri C R, Whitehair S J, et al. Langmuir probe measurements of a radio frequency induction plasma[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A, 1993, 11:152-156.

[3] Godyak V A, Alexandrovich B M. Plasma and electrical characteristics of inductive discharge in a magnetic field[J]. Physics of Plasmas, 2004, 11(7): 3553-3560.

[4] Amorim J, Maciel H S, Sudano J P. High-density plasma mode of an inductively coupled radio frequency discharge[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 1991, 9(2): 362-365.

[5] 戴棟, 寧文軍, 邵濤. 大氣壓低溫等離子體的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(20): 1-9.

Dai Dong, Ning Wenjun, Shao Tao. A review on the state of art and future trends of atmospheric pressure low temperature plasmas[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(20):1-9.

[6] Lee H C, Chung C W. E-H heating mode transition in inductive discharges with different antenna sizes[J]. Physics of Plasmas, 2015, 22: 053505.

[7] Lee H C, Chung C W. Effect of antenna size on electron kinetics in inductively coupled plasmas[J]. Physics of Plasmas, 2013, 20: 101607.

[8] Jun H S, Chang H Y. Development of 40 MHz inductively coupled plasma source and frequency effects on plasma parameters[J]. Applied Physics Letters, 2008, 92: 041501.

[9] Ventzek P L G, Hoekstra R J, Kushner M J. Two-dimensional modeling of high plasma density inductively coupled sources for materials Proeessing[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 1994, 12(1): 461-477.

[10] Fukasawa T, Nouda T, Nakamura A, et al. RF self-bias characteristics in inductively coupled plasma[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1993, 32: 6076-6079.

[11] 張昀, 王波, 王荷軍. 射頻感應(yīng)耦合等離子體郎繆雙探針診斷分析[J]. 真空, 2016, 53 (3): 56-61.

Zhang Yun, Wang Bo, Wang Hejun. Langmuir double probe diagnostic analysis of RF inductively coupled plasma[J]. Vacuum, 2016, 53 (3): 56-61.

[12] 汪建. 射頻電感耦合等離子體及模式轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[13] 朱寒, 何湘, 陳秉巖, 等. 容性耦合射頻放電等離子體的仿真模擬與實(shí)驗(yàn)診斷研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(16): 3504-3511.

Zhu Han, He Xiang, Chen Bingyan, et al. Simulations and experimental diagnostic of capacitively coupled RF discharge plasma[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(16): 3504-3511.

[14] 張改玲, 滑躍, 郝澤宇, 等. 13.56MHz/2MHz柱狀感性耦合等離子體參數(shù)的對(duì)比研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2019, 68(10): 105202.

Zhang Gailing, Hua Yue, Hao Zeyu, et al. Experimental investigation of plasma parameters in 13.56MHz/2MHz cylindrical inductively coupled plasma[J]. Acta Physica Sinica, 2019, 68(10): 105202.

[15] 李亦非, 付宸聰, 蔡國(guó)飆, 等. 微型射頻離子推進(jìn)器放電等離子體全局模型仿真研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(15): 3113-3123.

Li Yifei, Fu Chencong, Cai Guobiao, et al. Global model co-simulation of RF ion thruster based on multi-physical field coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(15): 3113-3123.

[16] 桑建華. 飛行器隱身技術(shù)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2013.

[17] 何湘. 飛機(jī)局部等離子體隱身探索研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2010.

[18] Wen Deqi, Liu Wei, Gao Fei, et al. A hybrid m Model of radio frequency biase d inductively coupled plasma discharges: description of model and experimental validation in argon[J]. Plasma Sources Science and Technology, 2016, 25(4): 045009.

[19] 蘇晨, 徐浩軍, 林敏. 封閉式等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)及其放電等離子體參數(shù)分布實(shí)驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù), 2013, 39(7): 1668-1673.

Su Chen, Xu Hao Jun, Lin Min. Design on closed plasma generator and experimental study on its plasma parameters distribution[J]. High Voltage Engingeering, 2013, 39 (7): 1668-1673.

[20] 梅丹華, 方志, 邵濤. 大氣壓低溫等離子體特性與應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(4): 1339-1358, 1425.

Mei Danhua, Fang Zhi, Shao Tao. Recent progress on characteristics and applications of atmospheric pressure low temperature plasmas[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40 (4): 1339-1358, 1425.

[21] 萬(wàn)靜, 寧文軍, 張雨暉, 等. 氣隙寬度對(duì)大氣壓氦氣介質(zhì)阻擋放電多脈沖特性影響的仿真研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(4): 871-879.

Wan Jing, Ning Wenjun, Zhang Yuhui, et al. Influence of gap width on the multipeak characteristics of atmospheric pressure helium dielectric barrier discharges-a numerical approach[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(4): 871-879.

[22] 田微, 蓋斐, 張俊敏, 等. 徑向放電的等離子體陰極脈沖電子束實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(6): 1338-1344.

Tian Wei, Gai Fei, Zhang Junmin, et al. Experiment research on pulse electron beam of plasma cathode with radial discharge[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6): 1338-1344.

[23] 林茂, 徐浩軍, 魏小龍, 等. 放電功率變化對(duì)電磁波在電感耦合閉式等離子體中的衰減特性[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2021, 33(6): 065012(1-8).

Lin Mao, Xu Haojun, Wei Xiaolong, et al. Research on attenuation characteristics of electromagnetic wave in ICP plasma based on variation of discharge power[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33(6): 065012(1-8).

Study on Spatial Distribution of Inductive Coupled Plasma Closed Plasma with Discharge Parameter Variation

Lin Mao1,2Xu Haojun1Wei Xiaolong1Han Xinmin1Wu Songyao1

（1. Science and Technology on Plasma Dynamics Laboratory Air Force Engineering University Xi’an 710038 China 2. Troop No.93802 of PLA Xi’an 712200 China）

In the application of inductive coupled plasma(ICP), such as the coil configuration, power supply parameters, pressure and other external conditions are different, it is difficult to get the mechanism of multiple influences on the ICP parameter distribution, This paper combine the simulation and experiment methods, by the establishment of the inductive coil electromagnetic finite element model, analyzing the radio frequency electromagnetic field under different coil configuration in the spatial distribution within the plasma, then we study the influence of discharge parameters (coil configuration, power rate) on the plasma distribution and E-H model dynamic process. By analyzing its discharge parameters to provides a theoretical basis for the miniaturization engineering application of plasma source.The results of experiment and simulation show that: ①Under different coil turns and different power rates, the variation of electromagnetic field intensity has a great influence on the plasma power absorption and power coupling. ②When pressure the working gas Ar is between 0-20Pa, the electron density of ICP is axismetrically distributed, with the increase of the discharge power and gas pressure, the absorbed power and ionization degree of the plasma also increased. The distribution of electron density in the axial and radial directions increases gradually and then decreases rapidly near the wall of the chamber.

Inductively coupled plasma, radio frequency power, discharge coil, parameter spatial distribution

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210022

TM31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（12075319）。

2021-01-10

2021-04-02

林 茂 男，1988年生，博士，研究方向?yàn)榈蜌鈮旱入x子體放電。E-mail：496180444@qq.com（通信作者）

徐浩軍 男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈入x子體應(yīng)用技術(shù)。E-mail：262432206@qq.com

（編輯 郭麗軍）