螺旋波等离子体的诊断和应用

本书深入浅出而又系统地介绍了螺旋波等离子体的基础知识，总结了近年来该领域的研究进展，提供了用于螺旋波等离子体放电特性研究的实验诊断技术，对螺旋波等离子体中的许多复杂物理现象给予了详细的介绍和解释。全书共5章：第1章主要介绍了等离子体的基本概念与性质，螺旋波等离子体的特性、应用和研究进展；第2章着重讲述了螺旋波等离子体的诊断技术，包括探针和光谱技术，重点介绍了基于局域发射光谱方法发展的等离子体密度和电子温度诊断手段，并通过实验证实了测量结果的可靠性；第3章基于上述探针和光谱诊断技术，讲述了氩气螺旋波等离子体的模式及转换特性；第4章通过探针和局域发射光谱诊断技术，介绍了等离子体的空间分布特性；第5章利用数值模拟对等离子体的放电模式以及能量沉积等复杂现象给出了较清晰的解释。
本书可作为高等院校物理专业高年级本科生及研究生的教学参考书，也可作为对等离子体物理感兴趣的教师和研究人员的参考书，还可供从事低温等离子体技术领域的研究人员和技术人员参考使用。

1.内容全面系统：涵盖了螺旋波等离子体的基础知识、研究进展以及实验诊断技术等方面。 2.提供实用技术：介绍了用于螺旋波等离子体放电特性研究的实验诊断技术。 3.强调理论与实践结合：通过实验证实了测量结果的可靠性，并利用数值模拟解释了复杂现象。 4.适用范围广：可作为相关专业研究生或高年级本科生教材，也可供相关领域的教师、研究人员和技术人员参考使用。

等离子体是物质存在的一种基本形态，被认为是除固体、液体和气体以外物质的“第四种状态”，可以通过对气体进一步加热而形成。也可以认为等离子体是一种电离化的气体，它由电子、离子、原子或分子等粒子组成，整体呈现电中性或准电中性，对外界的电场和磁场具有集体性响应。螺旋波等离子体是等离子体物理学中一个引人注目的研究领域，涉及等离子体中的复杂动力学现象。对螺旋波等离子体的诊断和应用的研究不仅扩展了我们对等离子体行为的理解，还为等离子体应用于能源、材料科学和电推进领域提供了新的可能性。
不管是材料工艺还是等离子体推进，其核心都需要产生一个高密度、高电离率的可调控、稳定的等离子体源，这依赖于人们对螺旋波放电的理解和认识。然而，螺旋波放电的高效电离机制一直是科学界备受争议的问题。螺旋波放电存在容性耦合(CCP)、感性耦合(ICP)及波耦合(W)等三种模式，不同W 模式之间也存在转换(或跳变)，导致等离子体密度随功率或磁场发生跳变，而这种跳变(尤其是W 模式之间的转换)同时可能引起等离子体空间分布的变化，从而对等离子体应用工艺产生重大影响。探索螺旋波放电进入波模式的机制以及波模式下等离子体特性，对其基础和应用研究都具有重大意义。
实验是理解放电等离子体的主要手段。螺旋波等离子体的特性参数，例如电子温度、电子密度、等离子体电势和粒子能量分布函数等，对于研究放电的物理过程和空间分布非常重要。目前，实验诊断技术主要有朗缪尔(静电)探针、光学图像和光谱测量、电路电流/电压测试以及磁探针和能量分析仪等测量技术。通常，射频(RF)补偿朗缪尔探针和发射光谱(OES)是实验诊断中最常用的手段，用于测量RF或螺旋波等离子体的密度、温度和电势。然而，当采用朗缪尔探针时，射频源或电磁场会对探针的测量产生干扰。此外，在高射频功率下放电管内的高温可能会损坏探针，使得测量等离子体参数变得更加困难。为了避免这些问题，OES实际上成为诊断螺旋波等离子体最强大、无侵入和原位的主要诊断方法之一，它不受射频源或磁场的影响。但传统OES并不具备空间分辨能力，得到的是采样区域参数的平均值。对于非均匀等离子体，传统OES难以进行空间分辨诊断。因此，在尽可能小的扰动下实现高空间分辨率的OES测量，是螺旋波等离子体实验研究值得期待的手段。此外，在电势双层诊断方面，传统静电探针需要附加额外的扫描电压而接地，难以完全避免探针尖端的不稳定性和高密度状态下尖端与等离子体之间的可能放电，这使得测量数据误差增大且测量数据可信性大大降低。目前获得的双层电势数据主要来自场滞能量分析仪，但它的尺寸较大，对等离子体的扰动较大，且时间成本高也非常高。发射探针尽管效率较高，但同样存在空间电荷效应问题。因此，采用简单、高效、无干扰或小干扰的诊断手段和测量方法，对于螺旋波等离子体源的基础和应用研究都极为必要。
本书写作的目的是为将要进入这些领域工作的研究生、本科生以及相关技术人员提供螺旋波源的基础研究、诊断技术及其应用的基本知识。本书全面系统地阐述了螺旋波等离子体的基础理论知识，梳理并整合了近年来该领域的最新研究成果。全书共分5章，第1章重点阐述等离子体的基本理念与性质、螺旋波等离子体的特性、应用及研究进展。第2章着重论述螺旋波等离子体的诊断技术，涵盖探针与光谱技术，重点说明基于局部发射光谱方法发展出的等离子体密度和电子温度诊断手段，并通过实验验证了测量结果的可信度。第3章以上述探针和光谱诊断技术为基础，讲述氩气螺旋波等离子体的模式及其转换特性。第4章借助探针和局部发射光谱诊断技术，介绍等离子体的空间分布特性。第5章运用数值模拟，对Plasma的放电模式以及能量沉积等复杂现象给予相对清晰的解释。
本书可作为高等院校物理学、材料科学与工程等专业的研究生或高年级本科生的参考教材，也可供等离子体物理领域的研究人员以及从事低温等离子体技术工作的技术人员参考使用。
由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请各位读者和同行专家批评指正。

崔瑞林
山西工程科技职业大学 

第1章　绪论 001
1.1　等离子体物理理论 002
1.1.1　等离子体的基本概念 002
1.1.2　等离子体中的波 005
1.2　螺旋波等离子体简介 010
1.2.1　磁化等离子体 010
1.2.2　螺旋波等离子体 013
1.3　螺旋波等离子体的应用 015
1.4　螺旋波等离子体的研究进展 017
1.4.1　螺旋波等离子体的放电模式及其转换 018
1.4.2　螺旋波等离子体的空间分布 023
1.4.3　螺旋波等离子体的加热机制 029

第2章　螺旋波等离子体的发生及局域诊断 033
2.1　实验装置 034
2.1.1　螺旋波放电系统 035
2.1.2　诊断系统 035
2.2　Langmuir 静电探针 037
2.2.1　探针诊断的基本方法 037
2.2.2　电子能量分布函数（EEPF） 039
2.3　被动式浮置探针 043
2.4　磁探针 044
2.5　OES 诊断的理论模型与局域化设计 045
2.5.1　氩气碰撞辐射（CR）模型 045
2.5.2　氩气特征光谱谱线对比法 050
2.5.3　空间分辨OES 设计 051
2.6　LOES 的定标 052
2.6.1　氩气等离子体发射光谱分析 052
2.6.2　氩原子和离子特征谱线与电子密度的定标关系 053
2.6.3　氩原子特征谱线强度比与电子温度的定标关系 055

第3章　氩气螺旋波等离子体的放电模式及转换 059
3.1　螺旋波的放电模式及表征 060
3.1.1　等离子体参数的变化 060
3.1.2　特征谱线的变化 061
3.1.3　外电路参数的变化 062
3.2　放电条件的影响 063
3.2.1　气压的影响 063
3.2.2　磁场的影响 067
3.2.3　放电管尺寸和形状的影响 071
3.3　模式转换的分析 074

第4章　氩气螺旋波等离子体的空间分布 077
4.1　径向分布 078
4.1.1　等离子体密度 078
4.1.2　电子温度 080
4.1.3　特征谱线 081
4.1.4　放电图像 083
4.2　轴向分布 084
4.2.1　天线近场区等离子体的分布 084
4.2.2　天线下游区等离子体的分布 089
4.2.3　螺旋波的轴向传播 092
4.2.4　双层结构 096
4.3　讨论与分析 098
4.3.1　天线近场区等离子体空间分布的分析 098
4.3.2　天线下游区的密度峰和双层结构 099

第5章　氩气螺旋波等离子体的本征波模及其加热机制 103
5.1　螺旋波和TG 波的色散关系及传播条件 104
5.1.1　无碰撞等离子体 105
5.1.2　碰撞等离子体 108
5.1.3　纯螺旋波近似 109
5.2　螺旋波的本征模 110
5.2.1　本征径向模 110
5.2.2　本征轴向模 114
5.3　不同实验条件的波模分析 115
5.4　波耦合模式的能量沉积 122
5.4.1　H 波和TG 波的阻尼 122
5.4.2　能量沉积 124

参考文献 131