激光产生的硅等离子体辐射动力学特性研究

本文从实验和理论两方面系统研究了真空环境中激光产生的硅等离子体的辐射动力学特性.实验上利用时间-空间分辨的激光等离子体发射光谱技术,测量了激光产生的硅等离子体极真空紫外波段的光谱,并对光谱进行了分析指认.为了进一步研究实验光谱的时空演化特性,提出了一种简化的基于流体动力学和辐射输运方程的等离子体辐射动力学模型,利用该模型研究了激光产生的等离子体的辐射特性和动力学演化行为,并对实验观测到的时空分辨光谱进行了模拟,详细分析了等离子体的温度、密度和离子布居的时空演化特性.研究结果表明,本文提出的模型能够较好地反映激光等离子体的动力学演化过程以及辐射光谱的特征,可以作为一种有效的激光等离子体诊断工具.     

激光Al等离子体电荷态分布诊断研究

本文分别利用光谱法和飞行时间法对真空环境中激光烧蚀产生的Al等离子体中离子的电荷态分布进行了诊断研究.利用时空分辨的光谱测量装置测量了激光Al等离子体极紫外波段的辐射光谱,通过光谱模拟诊断了等离子体中离子的电荷态分布,并分析了其演化行为.利用飞行时间装置测量获得了激光Al等离子体中离子的飞行时间谱,进一步诊断了等离子体中离子整体的电荷态分布.研究表明,光谱法能够诊断激光等离子体中离子的局部和瞬态的电荷态分布,飞行时间法能够诊断整体的电荷态分布,两种诊断方法相互补充,可以全面和准确地认识激光等离子体中离子的电荷态分布及其演化行为.     

高电荷态锡离子极真空紫外波段自吸收光谱轮廓的细致分析

等离子体动力学模拟是一种非常有效的等离子体状态诊断和光谱分析方法,已被广泛应用于激光等离子体光谱的解释和演化分析中.本文基于流体动力学方程和辐射输运方程,并结合稳态的碰撞辐射模型,提出了一种简化的能够分析模拟中高Z元素高电荷态离子极真空紫外(Extreme Ultraviolet,EUV)波段光谱的辐射流体动力学模型,并成功应用于激光产生的锡等离子体EUV光谱的分析和模拟.结果表明,理论模拟光谱与激光功率密度为1.90×10~(11)?W/cm~2的实验光谱之间具有良好的一致性.通过比较Sn~(7+)–Sn~(11+)离子的4d-4f,4p-4d和4d-5p,5f跃迁阵列的发射轮廓和自吸收轮廓,明确了不透明度效应对发射光谱轮廓的影响,成功解释了13.5?nm附近自吸收带和自吸收峰的成因.相关研究预期能够为极真空紫外辐射在光刻、计量、生物成像等领域的应用研究提供参考.     

激光产生的Si等离子体的光谱分析

利用双脉冲激光等离子体光谱技术测量了激光烧蚀Si靶产生的极真空紫外波段等离子体光谱,通过标定发现,光谱中的分立谱线主要来自于Si 7+-Si 10+离子的2s-2p跃迁.基于稳态碰撞辐射模型和激发态粒子数布居满足归一化玻尔兹曼分布的假设,计算了不同电荷态Si离子的离子丰度随电子温度的变化关系,并给出了不同等离子体参数条件下的理论模拟光谱.通过与实验光谱的比较,确定了等离子体参数.     

热核聚变等离子中氩注入过程辐射特性的时间演化

通过假定一定的等离子体温度、密度分布,数值求解了一维等离子体的连续性方程,获得了杂质氩电离态分布,其辐射功率随空间位置和时间而变化。结果显示：在杂质注入时间较短时,由于离子输运及各种损失机制,总杂质密度在空间分布尚未达到平衡,电离态离子主要分布在等离子体周边,完全电离离子所占份额很小;当时间达到0．25s时,氩在等离子体中完全达到平衡状态,体积辐射功率趋于一个稳定的数值;辐射功率在空间的分布随时间变化较小,主要分布在等离子体周边及边界层一个狭小的辐射带内,说明氩引起的辐射主要由低电离态离子引起。     

热核聚变等离子中氩注入过程辐射特性的时间演化

通过假定一定的等离子体温度、密度分布,数值求解了一维等离子体的连续性方程,获得了杂质氩电离态分布,其辐射功率随空间位置和时间而变化.结果显示:在杂质注入时间较短时,由于离子输运及各种损失机制,总杂质密度在空间分布尚未达到平衡,电离态离子主要分布在等离子体周边,完全电离离子所占份额很小;当时间达到0.25 s时,氩在等离子体中完全达到平衡状态,体积辐射功率趋于一个稳定的数值;辐射功率在空间的分布随时问变化较小,主要分布在等离子体周边及边界层一个狭小的辐射带内,说明氩引起的辐射主要由低电离态离子引起.     

金属蒸汽真空弧(MEVVA)源产生的金属镍(Ni)等离子体的发射光谱诊断

利用英国avantes公司生产的AvaSpec-2048FT-8-RM型光栅光谱仪对金属蒸汽真空弧(MEVVA)源产生的金属镍等离子体的发射光谱进行采集,并用"Plasus Specline"软件对采集到的数据进行分析,得到各条谱线所对应的元素及元素电荷态、跃迁能级及其能量等信息.同时采用多谱线斜率法对镍等离子的电子温度进行计算,并利用电子温度对等离子体的电子密度进行计算,从而实现MEVVA源产生的金属镍等离子体的发射光谱诊断.     

激光产生的硫等离子体2s—2p光谱及分析模拟

利用双脉冲激光等离子体光谱技术测量了激光作用于高纯度硫靶产生的16~24nm波段的发射光谱,分析发现谱线主要来自Sq+(q=7,8,9,10)离子的2s—2p跃迁.基于稳态碰撞辐射模型和激发态离子数布局满足归一化玻尔兹曼分布的假设,计算了不同离化态硫离子在不同等离子体温度和电子密度下的布居数,在不同电子温度下模拟了等离子体光谱,并通过与实验光谱比较确定了等离子体参数.     

极真空紫外波段Al离子发射光谱的分析和模拟

利用两台Nd:YAG激光器作用于放置在真空腔室中的铝靶,获得了Al等离子体的发射光谱,并对23~35nm波段范围内的光谱进行了理论分析.结果表明实验光谱中的分立谱线主要来自于Al 5+-Al 8+离子的2s-2p跃迁;同时利用碰撞辐射稳态模型计算分析了不同电荷态Al离子的离子丰度随电子温度、电子密度的演化关系;最后结合激发态粒子数布局满足归一化玻尔兹曼分布的假设,获得了不同等离子体参数条件下的理论光谱,通过与实验光谱的比较,确定了等离子体参数.     

热尘埃等离子体中尘埃声波的调制不稳定性

通过约化摄动法,得到了描述具有2种离子温度且尘埃微粒电荷可变的热尘埃等离子体中尘埃声波的非线性薛定谔方程,并研究了热尘埃等离子体中低温离子未受扰动的数密度、低温离子温度、高温离子未受扰动的数密度、高温离子温度、尘埃微粒的温度对尘埃声波调制不稳定性的影响.结果表明,具有2种离子温度且尘埃微粒电荷可变的热尘埃等离子体中尘埃声波是调制稳定的,低温离子未受扰动的数密度是影响尘埃声波调制不稳定性的主要因素.具有2种离子温度且尘埃微粒电荷可变的热尘埃等离子体中仅存在暗孤子.     

二维无碰撞离子引出过程的数值模拟

利用流体理论电子平衡模型，对二维不考虑带电粒子碰撞的激光分离同位素（ＡＶＬＩＳ）离子引出过程进行了数值模拟，包括对不同收集方式进行了模拟和对比，研究了离子引出过程中的物理机理及物理量的空间分布特点，表明等离子体电位略高于阳极电位，并在离子引出过程中基本保持不变；电子温度越高等离子体电位越高，离子引出时间越短；对称收集方式的离子引出时间短且离子逃逸量也少。     

激光支持等离子体爆轰波流场研究

采用高速纹影摄影法记录激光支持等离子体爆轰波流场的演化,得到流场冲击波阵面形状和尺寸随时间变化规律。建立激光支持等离子体爆轰波流场演化的物理模型,采用计算流体力学方法模拟计算激光击穿空气后,激光作用时间内及激光作用结束后等离子体流场演化过程。结果表明,纹影摄影法能有效观测到激光支持等离子体爆轰波的传播情况。等离子体爆轰波在激光作用初期为椭球形,随着时间的增加逐渐转变为球形。计算的等离子体爆轰波流场密度分布图与实验结果基本吻合。     

MEEVA源生成Ti金属等离子体粒子密度和电离度的原子发射光谱诊断

利用原子发射光谱对等离子体粒子密度进行诊断的Saha-Boltzmann方程法,并对其进行了改进.并结合多谱线斜率法,针对用英国avantes公司生产的AvaSpec-2048FT-8-RM型光栅光谱仪采集到的金属蒸汽真空弧(MEVVA)源生成的金属钛等离子体的发射光谱,对其电子、离子温度,电子、原子、一价离子和二价离子密度,原子和一价离子电离度进行诊断;对MEVVA Ti等离子体的热力学状态进行了判断;从而实现MEVVA Ti等离子体的发射光谱诊断.此外,还对MEVVA Ti等离子体参数随离子源工作弧压的变化情况进行了讨论.     

氩离子等离子体源离子注入的数值模拟

应用PIC-MCC方法模拟了氩离子等离子体源离子注入过程,考虑了离子与中性粒子的电荷交换碰撞和弹性散射,模拟了不同电压、不同气压及不同等离子体密度下氩离子到达靶表面的能量分布和入射角分布,讨论了碰撞对能量分布和入射角分布的影响.     

金等离子体中连续可逆的电离-复合过程及离子电荷分布

提出用离化复合动力学理论方法来研究金等离子体内电荷态的分布. 根据由全相对论量子力学理论计算得到的Au⁴⁸⁺-Au⁵²⁺离子的平均离子寿命、能级结构和能级简并度, 进而得到离子的一阶电离速率常数和各离子的配分函数, 由此计算离子间的电离-复合平衡常数. 基于这些数据, 求解离子间连续可逆电离-复合反应的微分方程组, 导出在一定电子温度和电子密度下电荷态的分布和平均离化度, 研究某一时刻金等离子体内电荷态分布随体系电子温度和电子密度的变化. 计算所得平均电离度及离子相对分布与美国Livermore实验室的结果符合较好.     

基于液滴锡靶LPP-EUVL光源多层膜的溅射损伤研究

基于Navier-Stokes方程的自相似解,研究了最小质量限制液滴Sn靶激光等离子高能离子的时空分布特性,并将该结果应用于高能离子碎屑刻蚀导致的极紫外光刻(EUVL)光源收集镜寿命的评估.对于不同的绝热膨胀指数γ＝1.67、1.3和1.1,数值计算了激光等离子体平均电离度、等离子体羽辉尺寸、羽辉膨胀速率和离子动能随时间的演化,并得到了高能Sn离子碎屑通量的角分布及其轰击溅射Ru、Mo和Si膜的溅射产额及溅射刻蚀速率.研究发现,激光液滴靶等离子体中的高能Sn离子对Mo,Si多层膜的溅射刻蚀率的角分布满足cos3θ的关系.对EUVL光源而言,为了延长EUV收集镜寿命,降低激光等离子体电离度和采用最小质量限制液滴Sn靶是一条有效的途径.     

铅等离子体中电子密度随时间演化特性的实验研究

测定了激光诱导铅等离子体中铅原子和离子谱线Ｓｔａｒｋ展宽的时间演化特性以及与缓冲气体压力之间的关系,由此计算得到了等离子体中电子密度的时间演化特性及其与缓冲气体压力之间的关系     

闪电放电等离子体地域性特征分析

依据闪电回击过程的光谱,结合等离子体理论,计算得到放电通道的温度、电子密度和组分粒子数密度等参数,并对4个地区闪电放电等离子体的特性参数及其光谱特征进行了对比分析.结果表明,沿海地区放电通道的温度一般高于高原地区;通道中一次电离离子占主要地位,且NⅡ离子数密度最高;不同地区的闪电放电通道中,NⅡ、OⅡ离子的数密度占同种元素总粒子数密度的百分比变化不大,高原地区回击通道内NⅠ、OⅠ粒子所占浓度百分比略高于沿海地区;对于温度相同或相近的回击通道,沿海地区通道内的电子密度、粒子数密度、平均压强通常高于西部高原地区.     

尘粒电荷变化的尘埃等离子体中的MKP方程

使用约化摄动法得到了描述含有尘埃颗粒电荷变化、非热力学平衡离子和玻尔兹曼分布的电子的热尘埃等离子体中的二维尘埃声波的Modified KP(MKP)方程.数值模拟结果表明,诸多等离子体参数,如快离子数,尘埃电荷变化、尘埃流体、离子和电子的温度,以及离子的数密度等均会影响和改变孤波的振幅和宽度.     

基于激光烧蚀的等离子体羽辉膨胀动力学机制研究

重点讨论了脉冲激光烧蚀技术中,在考虑等离子体电离效应时等离子体的空间动力学演化特征.首先将等离子体视为可压缩理想气体,根据局域质量守恒和动量守恒,给出了在柱面坐标系下的等离子体压力与空间数密度的变化规律.在此基础上,结合适当的边界条件,用解析法进行求解,得到了在考虑等离子体电离效应时的一组新的动力学演化方程.分析结果表明,电离度会使等离子体的速度沿各个方向都得到加速,等离子体的内部速度具有自相似表达形式.