氩气压力对螺旋波放电影响的发射光谱诊断及仿真研究

氩气压力对螺旋波放电影响的发射光谱诊断及仿真研究

引言

螺旋波等离子体源以其高电离效率和高密度特性，在电推进、材料处理等领域具有广泛应用。然而，螺旋波放电机理复杂，能量耦合方式一直是研究难点。本文基于文档《氩气压力对螺旋波放电影响的发射光谱诊断及仿真研究》，系统分析了氩气压力对螺旋波放电特性的影响，结合发射光谱实验诊断和Helic程序数值仿真，揭示了压力变化对功率耦合模式、等离子体密度和电子温度的作用机制。研究旨在为优化螺旋波放电效率提供理论依据和实践参考。

实验装置与方法

实验系统主要包括射频电源、螺旋波天线、磁场发生系统、真空系统和光谱诊断设备。射频电源频率为13.56 MHz，最高功率10 kW，采用L型阻抗匹配网络降低反射功率。螺旋波天线为纯紫铜右手螺旋结构，内径11 cm，长20 cm。放电腔室为石英管，长60 cm，内径10 cm。光谱诊断使用Avaspec-2048-M型光谱仪，采集200~960 nm范围内的谱线相对强度，并通过改变光纤探头焦距实现径向参数测量。朗缪尔探针用于离子密度辅助验证。

光强比值法用于计算电子温度。假设等离子体处于局部热力学平衡（LTE）状态，通过氩原子谱线相对强度比值求解电子温度，公式为：Te=ln(ImλmAkgkIkλkAmgm)Ek−Em其中，I为谱线强度，A为跃迁概率，g为统计权重，E为激发能。参数源自NIST原子光谱数据库。

光谱诊断结果与分析

放电特性与谱线特征

螺旋波放电在氩气工质下，原子谱线主要集中于740~920 nm区间（对应4p-4s能级跃迁），离子谱线集中于400~500 nm范围。原子谱线强度远高于离子谱线，表明电子电离能较强时放电强度高。图3展示了全谱线图，图4为不同功率下的放电图像，显示高功率下放电强度显著提升。

氩气压力对谱线强度的影响

在固定功率（940 W）和磁场（200 G）条件下，氩气压力变化显著影响放电强度。如图5所示，当压力处于较低范围（0.2 Pa < PAr< 1.0 Pa）时，谱线强度随压力增加而迅速上升；但当压力超过1.0 Pa后，增长趋势减缓，部分谱线强度趋于饱和。朗缪尔探针测量显示离子密度变化与之相似（图6），证实压力增加可提升等离子体密度，但过高压力会导致耦合效率下降。

径向分布与电子温度

通过调整光纤探头焦距，获得谱线强度的径向分布。如图7所示，谱线强度在径向边界处（r ≈ 4 cm）出现凸起，且随压力增加凸起更明显。电子温度计算结果表明（图8），压力增加使电子温度升高，径向中心处出现峰值，高压力下功率向天线附近沉积，影响放电均匀性。

仿真结果与分析

采用Helic程序求解麦克斯韦方程组的波场耦合模型，模拟等离子体密度分布（中心轴处5×10¹² cm⁻³，径向抛物线型分布）、电子温度（4.5 eV）和磁场强度（200 G）。仿真重点分析功率沉积密度、波电场和电流密度随压力的变化。

功率沉积密度

如图9所示，功率沉积密度在径向中心和边界处存在双峰值，分别对应螺旋波和TG波的作用。随压力增加，边界处功率密度持续上升，而中心处先减后增（转折点约0.532 Pa）。表明压力促进螺旋波与TG波耦合，功率向边界积累，与实验观察到的径向凸起一致。

波场结构与电流密度

图10显示波电场径向分量（E_r）占主导，但随压力增加，其边界峰值降低，因TG波阻尼增强被局限于边界。电流密度轴向分量（J_z）随压力增加而减小，电离率受限；径向分量（J_r）先减后增，整体放电效率提高。波磁场分量变化与J_z相似，反映功率耦合增强。

讨论

实验与仿真结果表明，氩气压力通过影响螺旋波与TG波的耦合效率，间接调控放电特性。低压力下（<1.0 Pa），无碰撞加热主导，压力增加提升电子碰撞频率，增强功率耦合；高压力下（>1.0 Pa），TG波阻尼增强，功率局限于边界，导致放电饱和。适当增加压力（如0.5–1.0 Pa）可优化耦合效率，但过高压力会引发阻抗失配，甚至过渡到感性放电模式。光谱诊断与仿真工具（如光强比值法和Helic程序）可靠性高，为类似研究提供参考。

结论

本研究综合发射光谱诊断和数值仿真，系统揭示了氩气压力对螺旋波放电的影响机制：

• 实验方面：氩气压力在0.2–1.0 Pa范围内提升放电强度和等离子体密度，谱线强度径向边界凸起随压力加剧，电子温度径向分布非均匀性增强。

• 仿真方面：压力增加促使功率沉积向边界转移，螺旋波与TG波耦合效率提高，但轴向电流密度受限。

• 实践意义：适当控制氩气压力可优化螺旋波放电效率，为等离子体源设计提供参数指导。

本研究方法严谨，结果可靠，未来可拓展至其他工质气体或磁场条件下的深入探索。参考文献本文内容基于文档第39卷第8期《光谱学与光谱分析》（2019年），具体参考文献见原文列表。

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