螺旋波等离子体特性及其应用

付 唯

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106）

螺旋波属于哨声波系列。当螺旋波在等离子体中传播时，能使大面积的电子得到加热。目前，国内外的研究表明，螺旋波驱动等离子体是一种比较适合稀薄气体电离的高效放电方式。Boswell[1]实现了接近100%的气体电离效率，随后，很多国内外学者对其高电离效率的物理机制进行了探究，但其超高电离效率的产生机制至今仍不明确，在低气压下放电存在模式转换和密度不稳定现象。螺旋波等离子体由于电离效率高、磁场约束小等优势，已经受到人们关注，且应用领域较为广泛，如在材料领域进行刻蚀，再如航空航天领域的等离子体推力器等。随着科研人员对螺旋波等离子体产生机制的不断探究和特性研究，其应用领域变得更加广泛，价值潜力越来越大。

1 激励机制

螺旋波等离子体源由磁场、射频天线、放电腔室构成，具有1018～1020m-3的电子密度，但目前对螺旋波产生的高密度等离子体的物理机理、螺旋波能量耦合到等离子体中的物理方式始终没有给出确切的解释[2]。最早Boswell提出螺旋波等离子体的能量吸收机制为朗道阻尼，是波与热电子间的相互碰撞[3]。但后来F.F.Chen发现，当使用大放电腔室或天线长度大于半波长时，朗道阻尼机制受到限制。随着螺旋波等离子体的研究与发展，发现了一种表面带有静电性质的波（Trivelpiece-Gould，TG），认为螺旋波等离子体能量沉积是通过两种渠道，即TG波和螺旋波共同作用。TG波和螺旋波在磁场中的阻尼不同。在高磁场中，TG波径向传播受阻，无法到达等离子体中心。因此，TG波的能量在表面沉积，而螺旋波的能量在等离子体中心沉积，当磁场较低时，TG波的传播被阻止[3-4]。

螺旋波等离子体的激励需要转换两种放电模式，即电容耦合（Capacitively Coupled Plasma，CCP）模式、电感耦合（Inductively Coupled Plasma，ICP）模式。在CCP模式下，主要是静电场维持等离子体能量沉积，加大射频功率后，感生电磁场占据主导作用，电磁波在等离子体内部传播或者沿等离子体表面传播，最终被等离子体吸收，使电子密度和电离度得到提高，继续增大射频功率，螺旋波和TG波能量耦合增强，使电子密度和电离度继续增大[5]。

2 螺旋波等离子体的色散关系

螺旋波模式是由与磁场B0成同一角度传播的多种低频哨声波叠加而成的，色散关系式：

式中：k和kz分别是波矢的径向和轴向分量，e为电子电荷量，n0为电子密度，B0为磁场强度，μ0为真空磁导率。

对于绝缘介质为边界、R为半径的放电管中产生的m＝1（m为方位角模数）螺旋波[径向电流密度Jr(R)＝0或螺旋波角向电场Eθ(R)＝0]，以下关系成立[6]：

式中：Jm为m阶第一类贝塞尔函数，J′m代表贝塞尔函数的导数，m为不同方位角模式。再根据色散关系（1）对于m＝1的天线得到：

式中：Ra为等离子体半径，由（3）式得出螺旋波的电子密度和磁场强度成正比，这也是螺旋波等离子体的判断依据[7]。

3 影响螺旋波等离子体特性的因素

相较于传统的ICP模式的等离子体和CCP模式的等离子体，螺旋波等离子体具有无电极、高密度、高电离度等优点。其中，高密度和高电离度等特性受气体压强、磁场强度、天线种类影响。

3.1 气体压强和磁场强度对螺旋波等子体特性的影响

Sharma等[7]搭建了螺旋波等离子体源，研究气压对Ar螺旋波等离子体电子密度、电子温度的影响。搭建的等离子体源由6个7 mm×7 mm的电磁铁构成；放电室为直径 10.0 cm、长60.0 cm、厚0.5 cm的硼硅酸盐玻璃；天线为 18 cm长的螺旋天线。他们利用13.56 MHz的射频电源激励不同气压下的Ar螺旋波等离子体，利用双探针测量等离子体密度，数据表明，到达螺旋波模式后，电子密度在1018m-3左右，并得出结论：在一定范围内，螺旋波等离子体密度会随着气压的增强而增大；压强越大，到达螺旋波模式的功率阈值越小。

通过调节电磁铁通电电流来改变磁场强度，探究磁场强度对等离子体特性的影响。Sharma等[7]通过调节电流，将磁场强度参数设为200、300、400、500 Gs。实验结果表明，当磁场强度在一定范围内，到达螺旋波模式后，磁场强度越高，电子密度越小，且到达螺旋波模式的功率阈值随着磁场强度的增加而减小[7]。

3.2 天线种类对螺旋波等离子体特性的影响

激发螺旋波等离子体的天线模式分为3类：m＝1、m＝-1、m＝0，m＝1模式的天线功率耦合最佳，但原因尚不明确。其中，最具代表性和最常用的天线是螺旋天线和Boswell天线，中国科学院等离子体物理研究所的平兰兰等[4]利用HELIC程序，对螺旋波的耦合和功率沉积与天线类型的关系进行了数值模拟。螺旋天线在等离子体中心和边缘处较NagoyaⅢ型、Boswell型天线有较高的径向相对吸收功率，且NagoyaⅢ型天线和Boswell型天线在等离子体中的耦合效果差不多。沿轴向的相对吸收功率更能明显地看出，功率耦合效果最佳为螺旋天线，耦合效果最差为Boswell型天线，通过实验证明，螺旋天线是激发高密度螺旋波等离子体的最佳天线。

4 螺旋波等离子体的应用

目前，国内对螺旋波等离子体的研究大多以氩气为工质气体，而对于复杂工质气体成分，国内主要在材料处理或其他方面进行了少量的螺旋波放电实验。某学者利用螺旋波等离子体进行了碳膜沉积，让氩气和甲烷按照不同比例混合后，激发螺旋波等离子体制备碳膜。用扫描电镜观察碳膜，当甲烷流量为5 sccm和氩气流量为50 sccm时，表面稀疏且颗粒状明显；当甲烷流量为25、45 sccm时，表面致密严实（氩气流量为50 sccm）。当甲烷流量增加到65 sccm时，表面形貌再一次发生改变，由致密结构变为细小致密结构，并可观察到微孔结构。当甲烷流量在85、105、125、145 sccm时，表面形貌基本保持一致，呈多孔网络结构，垂直于基片生长，叶子形态。控制甲烷流量可以实现多种碳膜的制备，如垂直石墨烯[8]。

由于螺旋波等离子体源具有无电极、高电离的优点，可以利用大气经过收集、加速、电离，大大减少卫星携带的推进剂、延长航天器在轨运行寿命。北京卫星环境工程研究所丁亮等[9]对超低轨吸气式螺旋波电推进进行了仿真模拟。以原子氧为工质，通过13.56 MHz射频加热，进而通过磁喷口完成推力输出全流程模拟。据仿真分析，电磁辐照的功率沉积量较低，但沉积功率的密度较高，当射频功率为2 000 W时，达到了最大值105 W/m3。

5 展望

目前，关于螺旋波等离子体的准确激励机制尚不明确，TG波和螺旋波相互耦合激发螺旋波等离子体的机制是人们普遍接受的，但仍然存在缺陷。对螺旋波等离子体产生机制的持续研究，对其应用和性能优化具有非常重要的影响。

随着世界人口增长和经济持续发展，能源短缺问题变得越来越严峻，世界各国都在努力寻找煤、石油、天然气等化石能源的替代能源，核能作为一种可以大规模开发利用的新能源，成为各国解决能源问题的重要手段。核聚变发生对温度要求特别高，一般的加热手段无法满足聚变堆需求。中性束注入是受控核聚变堆芯等离子体的有效加热方式之一，但高能离子束的中性化效率偏低，能量损失严重，难以满足未来的聚变堆需求。中性束可通过正离子源和负离子源产生，但正离子源产生中性束的效率会随着束流能量的升高而降低，而负离子源即使能量达到MeⅤ量级，中性化效率仍然不高，而中性化效率与等离子体密度有密切关系。等离子体密度越高，中性化效率越高。因此，螺旋波等离子体在核聚变中具有巨大潜力。