Observation of Nonlinear Standing Waves Excited by Plasma-Series-Resonance-Enhanced Harmonics in Capacitive Discharges

Abstract

We report the first experimental observation of nonlinear standing waves excited by plasma-seriesresonance-enhanced harmonics in low pressure, very high frequency, parallel plate, capacitively coupled plasmas. Spatial structures of the harmonics of the magnetic field, measured by a magnetic probe, are in very good agreement with simulations based on a nonlinear electromagnetics model. At relatively low pressure, the nonlinear sheath motion generates high-order harmonics that can be strongly enhanced near the series resonance frequencies. Satisfying certain conditions, such nonlinear harmonics induce radial standing waves, with voltage and current maxima on axis, resulting in center-high plasma density. Excitation of higher harmonics is suppressed at higher pressures.

Electron heating dynamics and plasma parameters control in capacitively coupled plasma

“…这两种电磁波的波数 都与鞘层厚度有关 [97,103] , 因此通过调节等效的鞘 层厚度可以调控电磁波在等离子体中的波长, 比如 设计特定形状的电极 [104−106] 、在驱动电极上加介质 层等 [107] . 此外, 鞘层厚度也可以通过低频的电压波 形来控制, 因此在甚高频的容性耦合等离子体电源 上引入一个低频源, 可以抑制驻波效应 [35,108] .…”

Mechanism of low-temperature helical streamer discharge driven by pulsed electromagnetic field

“…2 大关注 [13,14] 。 最新脉冲放电产生低温等离子体射流实验发现，调制脉冲电源到特定放电参 数(脉冲重复频率、脉宽、电极电压、工作气体)下，原来沿直线传播发展的等 离子体放电通道会发生放电模式转换，形成三维螺旋形态的等离子体放电通道 [15][16][17][18][19][20] 。通过高速相机发现，这种看似连续的螺旋形通道是由一个高速稳定推进的 螺旋发光电离体所组成。而且在特定脉冲频率和放电电压的过渡放电模式下，等 离子体的形态特性呈现初值敏感性，并伴随着双螺旋及多股螺旋分叉等新型而丰 富的复杂放电现象出现。继续调节频率和电压发现，等离子体羽流虽在高速相机 中保持快速旋转的螺旋形态，但在肉眼和慢时间尺度的普通照片中是均匀稳定 的。 螺旋流注放电是一种新型特殊的等离子体放电形式。它不同于目前应用于材 料及电推进领域的传统螺旋波放电，无需外加磁场也能形成不同手性的螺旋稳态 结构，而且放电参数可以影响螺旋流注手性方向。通常的等离子体射流在介质管 内沿工作气体通道直线传播，南京航空航天大学吴淑群等人 [21] 研究了毛细管径对 微等离子体射流动态传播特性的影响，发现射流传播速度与管径成非单调关系。 北京理工大学欧阳吉庭 [22] ，河北大学董丽芳 [23] ，Laroussi [24] 等课题组在实验中发 现外加恒定电场能使等离子体射流的直线发展方向发生偏转。北京交通大学刘文 正等人 [25] 研究了地电位对辉光放电等离子体射流传播方向的影响。 关于等离子体射流在传播过程中发生树形分叉的研究方面，重庆大学熊青等 人通过脉冲放电方式在氩气等离子体中发现了树形分叉现象，并拍摄了分叉的动 态传播过程 [26] 。 S. Hofmann 等人 [27] 研究了纳秒脉冲等离子体射流由直线到分叉的 放电模式转换过程和形成稳定分叉的放电机理。也有研究者发现等离子体射流子 弹在湍流作用下呈蛇形轨迹推进的放电特性 [28] ，并发现等离子体射流可以通过介 质管弯曲部分继续向反方向传播 [29] 。此外，有研究者发现采用螺旋针状电极结构 放电可以减小电极间的平均气体间隙距离，降低气体的击穿和维持电压 [30] ，而目 前气体放电中的螺旋研究大多集中在二维螺旋波斑图领域 [31][32][33][34][35] 。 低温等离子体射流形成三维螺旋流注的理论分析目前尚缺乏自洽成熟的理 论研究成果。传统静电容性放电理论已不足以解释分析螺旋放电沿极向方向上的 旋转电场。 M. Lieberman 等人在研究圆极板容性放电的过程中存在的表面非均匀 周期结构时使用了表面电磁理论分析，并给出了均匀放电所需条件 [36,37] 。有研究 者提出了针对三维螺旋流注的电磁理论模型 [17,18] ，但模型忽略了等离子体中电子 离子成份的集体响应，没有考虑电子密度分布对放电电场的影响。正是由于这一 理论基础的瓶颈缺陷限制了对螺旋流注实验结果的深入分析。 最近实验发现在介质管外加悬浮电位的线圈能影响螺旋流注的传播特性，改 变螺旋流注传播通道的螺距 [19,20] 。仿真研究也验证了悬浮电位线圈对放电时介质…”

Intense boundary emission destroys normal radio-frequency plasma sheath

“…Proposed model offers new method for ion erosion mitigation, wave mode conversion and a reaction rate control technic in low pressure plasma processing.A capacitively coupled plasma (CCP) is naturally formed by applying radio-frequency (RF) voltage to electrodes. Understanding RF plasma properties is of fundamental interests and is essential in numerous applications [1][2][3][4][5][6][7] . Contemporary models of CCP discharge assume that the bulk plasma is well isolated from the boundaries by oscillating sheathes and applied bias mainly rests on sheathes instead of bulk plasma.…”

“…Conduction current prevails displacement current in bulk plasma and field in bulk plasma is weak. But in this letter we will show that the bias can be primarily consumed by bulk plasma and electric field in plasma center needs not to be shielded by sheathes, due to intense boundary emission.Numerous studies have been done regarding boundary emission in CCP, but its influences are mostly assumed to be unessential 4,[8][9][10][11][12][13][14][15] . The steady flux of ion 𝛤 𝑖 produces a surface emission flux 𝛤 𝑒𝑚 = 𝛾 𝑖 𝛤 𝑖 due to ion-induced secondary electron emission (SEE), with 𝛾 𝑖 the emission coefficient.…”

“…Numerous studies have been done regarding boundary emission in CCP, but its influences are mostly assumed to be unessential 4,[8][9][10][11][12][13][14][15] . The steady flux of ion 𝛤 𝑖 produces a surface emission flux 𝛤 𝑒𝑚 = 𝛾 𝑖 𝛤 𝑖 due to ion-induced secondary electron emission (SEE), with 𝛾 𝑖 the emission coefficient.…”