Sheath parameters for non-Debye plasmas: simulations and arc damage
本文描述了破坏射频加速器、托卡马克等高梯度结构的稠密等离子体弧的表面环境。我们用分子动力学（MD）模拟了金属表面附近的致密、非理想等离子体鞘层，以评估高密度、低温等离子体在非德拜区域的鞘层。我们使用直接的两个组件的MD模拟，其中所有的电子和离子之间的相互作用计算明确。我们发现，非德拜鞘可以外推德拜鞘参数与小的修正。我们发现，这些参数与以前的PIC代码估计大致一致，指向$10^{24} - 10^{25}\mathrm{m}^{-3}$范围内的密度。这些结果所暗示的高表面场可以产生场发射，这将缩短鞘层并导致电弧时间演化的不稳定性，并且这种机制可以限制电弧中的最大密度和表面场。这些结果还提供了一种理解电弧的“燃烧电压”是如何产生的方法，以及自溅射和燃烧电压之间的关系，虽然没有很好地理解，但似乎是密切相关的。使用这些结果，并等同于表面张力和等离子体压力，它是可能的推断范围内的等离子体密度和鞘电位从电弧损伤的SEM图像。我们发现，这些结果暗示的高密度等离子体和它们将产生的等离子体压力的水平与100 nm或更小尺度上的电弧损伤一致，在示例中，液体金属将在这种结构丢失之前冷却。我们发现，亚微米组件的电弧损伤，燃烧电压，和波动的可见光生产的电弧可能是最直接的指标的密集等离子体电弧的参数，和最有用的诊断机制限制在加速器中的梯度。
2012-04-03 physics.plasm-ph
Using Dust as Probes to Determine Sheath Extent and Structure
两个原位实验方法中，尘埃粒子被用来确定鞘层的程度和增益信息的时间平均电力配置文件内的RF等离子体鞘层。这些方法是有利的，因为它们不仅是简单和快速执行，但它们也可以使用标准的尘埃等离子体实验设备进行。在第一种方法中，当尘埃颗粒穿过等离子体落到下电极时，对其进行跟踪。这些轨迹然后被用来确定作为高度以及鞘的范围的函数的粒子上的电力。在第二种方法中，在宽范围的RF电压下测量灰尘颗粒悬浮高度。在两个实验之间观察到了相似之处，但是为了理解这些观察结果背后的基本物理学，使用自洽流体模型复制了相同的条件。通过流体模型和实验结果的比较，它表明，表现出的悬浮高度是独立的RF电压的粒子指示鞘边缘-准中性体等离子体和鞘之间的边界。因此，这两个简单和廉价的，但有效的，方法可以应用在广泛的实验参数，在任何地基RF等离子体室，以获得有用的信息，鞘层，这是需要解释的尘埃等离子体实验。
2016-08-02 physics.plasm-ph
Intense boundary emission destroys normal radio-frequency plasma sheath
等离子体鞘层是将等离子体与边界隔离的非中性空间电荷区。当向电极施加射频电压时形成射频（RF）鞘。通常，外加偏压主要由屏蔽外场的射频鞘层消耗。在这里，我们报告的第一个证据表明，强烈的边界发射破坏正常的RF鞘层，并建立了一种新型的RF等离子体的外部偏压消耗散装等离子体，而不是鞘层。离子被自然地限制，而等离子体电子是畅通无阻的，在整个等离子体中产生强大的RF电流，结合独特的粒子和能量平衡。提出的模型为面向等离子体部件的离子侵蚀减轻提供了可能性。对等离子体加工中的反应速率控制和波模转换技术也有一定的启示。
2020-02-18 physics.plasm-ph
Behavior of test particles in the plasma sheath upon local bias and plasma switching
通过电力平衡重力，微粒可以被限制在适当偏置的局部电极上方的等离子体鞘中。它们的位置取决于等离子体鞘的详细结构和微粒在周围等离子体中获得的电荷，偏压开关实验揭示了微粒子的电荷和平衡位置如何随着鞘层的改变而改变条件我们观察到类似的粒子行为也在余辉的放电电极上的持续偏置电压：阻尼振荡到一个新的平衡或（加速）下降，根据偏压。
2010-10-14 physics.plasm-ph
Determination of positive anode sheath in anodic carbon arc for synthesis of nanomaterials
在大气压阳极碳弧中，阳极的烧蚀用作用于生产纳米材料的碳的原料。已知石墨阳极在该电弧中的烧蚀可以具有两种不同的模式，具有低烧蚀速率和高烧蚀速率。这些模式之间的过渡是由在电弧附着到阳极的功率沉积，并取决于阳极和阴极电极之间的间隙。探针测量结合光学发射光谱（OES）被用来分析电弧电极之间的电压降。这些测量结果证实了以前的预测，一个积极的阳极鞘（即电子吸引鞘）在这个电弧，出现在低和高烧蚀模式。另一个关键的结果是一个相对较低的电子温度（~ 0.6 eV）从OES使用碰撞辐射模型。该结果部分解释了维持50-70 A的电弧电流所需的电弧电压（~ 20 V）比该放电的现有模拟所预测的更高。
2021-09-20 physics.plasm-ph
A radio-frequency sheath model for complex waveforms
由射频电压驱动的等离子体鞘层经常发生，从等离子体处理应用到磁约束聚变实验。这些鞘层是至关重要的，因为它们主要影响阻抗，功率吸收，离子加速，有时附近等离子体的稳定性。因此，对鞘层行为的分析理解是重要的，无论是内在的还是作为更复杂的理论结构中的一个元素。在实践中，这些射频护套通常由高度非谐波波形激励，但是对于这种一般情况不存在分析模型。在这封信中，我们提出了一个数学上简单的鞘模型，可以解决基本上任意的激励波形。我们表明，该模型是在较早的单频激励模型，我们通过例子展示了如何开发一个复杂的波形的解决方案。该解与仿真数据吻合较好。这种简单而准确的模型有可能得到广泛的应用。
2012-12-11 physics.plasm-ph
Chaotic to ordered state transition of cathode-sheath instabilities in DC glow discharge plasmas
在圆柱形直流辉光放电等离子体放电的初始阶段，观察到了从混沌态到有序态的转变。最初它显示出混沌行为，但是增加放电电压改变了放电辉光的特性，并且显示出7阶周期$\to$ 5周期$\to$ 3周期$\to$ 1周期的周期减法，即系统通过奇周期减法进入单模。在进一步增加放电电压时，系统经历倍周期，如1周期$\to$ 2周期$\to$ 4周期。在进一步增加电压时，系统进入稳定状态而没有任何振荡。
2006-11-14 nlin.CD physics.plasm-ph
Two-dimensional PIC-MCC simulations of capacitively coupled radio-frequency discharge in methane
采用PIC-MCC方法模拟了甲烷气体中二维电容耦合射频放电。在50-300 mTorr的压力范围和40-180 V的电压范围内，放电频率为13.56 MHz时获得了结果。电子能量和电子-甲烷反应速率的空间分布表明存在两种放电辉光状态：a）具有活性鞘层，当电子在电极鞘层中是热的而在放电中间是冷的时，因此电子-中性反应强烈地主导鞘层区域; b）具有体积支配，当电子能量更均匀并且反应在所有放电体积中发生时。第二种状态通常在低电压下观察到，随着电压的增加，第二种状态转向第一种状态。此外，还对甲烷等离子体中的化学反应进行了模拟，得到了放电体积内气体混合物的组成。计算结果与已知的实验数据一致。
2004-06-10 physics.plasm-ph
Collisionless Bulk Electron Heating in Resonant Low-Voltage Capacitively Coupled Plasmas
Institute for Plasma Research（等离子体研究所）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Department of Physics, Indian Institute of Science（印度科学学院物理系）；School of Physical Sciences, UM-DAE Centre for Excellence in Basic Sciences, University of Mumbai（孟买大学基础科学卓越中心物理科学学院）
研究共振低压电容耦合等离子体中无碰撞功率吸收，发现体电子加热通过共振增强的射频电场、电子在势阱中的振荡及碰撞散射协同作用产生高能电子尾，显著提高电离率。
2026-06-08 physics.plasm-ph
Kinetic simulation of the sheath dynamics in the intermediate radio-frequency regime
本文研究了中等射频范围内的时间调制等离子体边界鞘层的动力学，其中所施加的射频和离子等离子体频率是可比的。采用两种动力学模拟程序，并对它们的结果进行了比较。第一个代码是一个众所周知的计划，粒子在细胞与蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）的实现，并模拟整个放电，一个平面的射频电容耦合等离子体（RF-CCP）与一个额外的加热源。第二个代码是基于最近公布的计划Ensemble-in-Spacetime（EST），它只解决鞘层，并需要时间分辨的电压和离子通量进入鞘层作为输入。离子惯性导致鞘层电荷-电压关系的时间不对称性（滞后），也发现其他离子渡越时间effects.这两个代码是在很好的协议，无论是相对于鞘层的空间和时间动态，相对于在电极上的离子能量分布。它的结论是，EST计划可以作为一个有效的后处理器流体或全球模拟和测量：它可以快速，准确地计算离子分布函数，即使没有真正的动力学信息。
2013-05-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Microwave power coupling in a surface wave excited plasma
近几十年来，不同类型的等离子体源已用于各种类型的等离子体处理，例如蚀刻和薄膜沉积。有效等离子体处理的关键参数是高等离子体密度。一种类型的高密度等离子体源是微波鞘层-电压组合等离子体（MVP）。在本研究中，一个更好的MVP源的设计，其中产生过密等离子体低输入微波功率。结果表明，等离子体柱的长度随输入微波功率的增加而显著增加。
2014-11-12 physics.plasm-ph
Electron sheath evolution controlled by a magnetic field in modified hollow cathode glow discharge
本文研究了改进空心阴极源直流磁化等离子体中电子鞘层的形成。放电由两个平面平行的阴极和一个小立方体的阳极放在离轴的中心。氩等离子体的产生和响应于鞘层形成阳极附近的等离子体的属性进行了研究，使用电气和光学诊断。研究了气压、磁场对放电电流、等离子体电位、等离子体密度和电子温度等放电参数的影响。放电显示在临界外加磁场下阳极辉光的开始，表明电子鞘层和双层的形成。放电电流最初降低;然而，当阳极上出现阳极斑点时，放电电流再次开始升高。阳极辉光形成的临界磁场取决于工作压力和放电电压。用朗缪尔探针和光谱诊断方法详细研究了离子鞘层到电子鞘层的转变过程。阳极附近的等离子体电位在从离子鞘层向电子鞘层过渡的过程中降低。当阳极斑点完全形成时，等离子体电势锁定在氩气的电离电势上。系统的研究表明，在转变过程中，电子温度升高，等离子体密度下降的散装等离子体。放电的光谱显示存在强的氩原子和离子线。这些谱线的强度在两个鞘层之间的过渡期间显示出下降。在形成阳极斑点之后，由于电子鞘层中增强的电离和激发过程，在放电电流和浮动电位中观察到5-20 kHz量级的振荡。
2018-08-29 physics.plasm-ph
High frequency sheath modulation and higher harmonic generation in a low pressure very high frequency capacitively coupled plasma excited by sawtooth waveform
采用粒子模拟方法研究了锯齿波激励下低压甚高频电容耦合等离子体（CCP）的放电不对称性、高次谐波产生和电子加热机制.两个电流密度，50 A/m2和100 A/m2被选择用于在氩等离子体中的5 mTorr的恒定气压。驱动频率从13.56 MHz变化到54.24 MHz。在较低的驱动频率下，观察到接地电极处瞬时鞘边缘位置的高频调制。这些高频振荡在鞘层边缘附近产生多个电离束状结构，其驱动放电中的等离子体密度，并且在较低驱动频率下负责放电/电离不对称性。相反地，电极电压显示在较高驱动频率下的高次谐波产生，并且在体等离子体中观察到相应的电场瞬变。在较低的驱动频率下，电子加热是最大的鞘层边缘附近的电子冷却等离子体块内，然而，交替加热和冷却，即突发状结构，在较高的驱动频率下获得。这些结果表明，在这些放电中的电子加热将无法准确地描述简单的分析模型。
2020-07-19 physics.plasm-ph
An algebraic RF sheath model for all excitation waveforms and amplitudes, and all levels of collisionality
低温等离子体的边界鞘层通常仅占其体积的一小部分，但对宏观行为的许多方面负责。因此，深入了解鞘层动力学具有重要的理论和实际意义。这项工作集中在所谓的“代数”方法，该方法力求以封闭的分析形式描述RF调制边界鞘层的电气行为，即，而不需要解微分方程。一个数学上简单的，分析表达式的电荷-电压关系的鞘层，适用于所有的激励波形和振幅，并涵盖所有制度，从碰撞为主的运动在低气压下的气体高压。与自洽粒子模拟的结果进行了比较。
2013-06-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
On the Ohmic-dominant heating mode of capacitively-coupled plasma inverted by boundary electron emission
边界电子发射是电容耦合等离子体中普遍存在的现象，对放电特性有着不可忽视的影响。在这里，我们提出的PIC-MCC模拟欧姆为主的加热模式的电容耦合等离子体的随机加热消失，只有欧姆加热维持放电，由于鞘层反转的边界电子发射。倒置CCP的特点是没有玻姆预鞘的负鞘电位，因此排除了由于鞘边缘振荡引起的等离子体加热。分析了所提出的加热模式的粒子和能量输运。边界电子发射通量，源电压，和中性压力之间的经典和欧姆占主导地位的CCP加热模式的过渡的影响与指定的模拟扫描。一个修改后的鞘层-等离子体耦合由于过度电离被发现。最后，提出的加热模式在等离子体诊断的关键指标提供了未来的实验验证。
2022-04-14 physics.plasm-ph
Self-bias Dependence on Process Parameters in Asymmetric Cylindrical Coaxial Capacitively Coupled Plasma
采用射频同轴电容耦合Ar/Cl 2等离子体对超导射频腔内壁进行了加工。由于同轴等离子体的内外电极之间的表面积差，在内电极鞘层上建立了直流自偏置电位。自偏置电位的测量被用作等离子体鞘层电压不对称性的指示。同轴等离子体鞘层电压分布的不对称性对于三维物体内表面的改性具有重要意义。等离子体鞘层电压被定制为通过在外部直流电源的帮助下向内部电极提供额外的直流电流来处理外壁。直流自偏置电位测量不同直径的电极和工艺参数，如气体压力，射频功率和氯的Ar/Cl 2气体混合物中的百分比的变化进行了研究。对于相同的工艺参数，测量克服自偏置电位使其为零所需的直流电流。
2015-06-16 cond-mat.supr-con physics.acc-ph physics.plasm-ph
Investigation of high pressure capacitively coupled plasmas produced by electrons energized in DC sheath at powered electrode
Indian Institute of Technology Delhi（印度德里理工学院）；Applied Materials Dublin Ireland（应用材料爱尔兰都柏林）
研究人员实验探究宽压力范围下容性耦合等离子体的功率吸收机制，发现除低压外，更高压力下射频场有未报道的新作用，等离子体形成不由欧姆加热驱动。
2026-08-04 physics.app-ph physics.plasm-ph
Electron tennis driven by radio-frequency electric fields in low-pressure plasma sources
本文详细分析了低压下射频电压波形激发的电容耦合等离子体鞘层区域内的电子轨迹。鞘层内的复杂特征在几个物理量中被识别，这些物理量是由在时空变化的电场的影响下的弹跳电子的轨迹雕刻的。开发的方法来解释的各种功能的表面过程的函数的生成，并确定不同起源的电子的轨迹。
2020-09-30 physics.plasm-ph
Experimental study of a planar atmospheric-pressure plasma operating in the microplasma regime
在平行板配置的非热射频大气压微等离子体的电气特性表明，减少到亚毫米范围内的电极间隙增加电流和功率密度在降低的电压相比，类似的等离子体在较大的电极间隙，没有间隙的依赖性。计算鞘层厚度和电场在鞘层和在散装证明依赖于电极间隙，因为它是减少到亚毫米政权，表示一个独特的制度的操作。
2010-03-13 physics.plasm-ph
Customized ion flux-energy distribution functions in capacitively coupled plasmas by voltage waveform tailoring
提出了一种在电容耦合等离子体电极表面的离子通量能量分布函数（IDF）中产生不同能量的单峰的方法。该技术基于驱动电压波形的定制，即调整所施加的谐波的相位和幅度，以优化由电荷交换碰撞产生的离子的积累以及它们随后由鞘层电场加速。可以通过调整所施加的RF电压波形的参数在宽域中控制峰的位置（即离子能量）和离子在IDF的峰内的通量，从而允许优化其中在特定离子能量下诱导表面反应的各种应用。
2016-02-08 physics.plasm-ph
Electron Density Depletion in Reentry Plasma Flows Using Pulsed Electric Fields
University of Arizona（亚利桑那大学）
本研究利用脉冲电场减少再入等离子体流中的电子密度，通过模拟展示电场对等离子体鞘的影响，从而降低信号衰减，提升通信性能。
2026-03-11 physics.plasm-ph
Plasma density and ion energy control via driving frequency and applied voltage in a low pressure capacitively coupled plasma discharge
采用粒子模拟/蒙特卡罗碰撞模拟方法研究了单频低压电容耦合等离子体（CCP）装置在不同射频电压和驱动频率下的动力学特性。一个操作制度被确定，其中对于一个给定的电压的等离子体密度被发现保持恒定的范围内的驱动频率，然后迅速增加的驱动频率的函数。这种模式转变的阈值频率以及恒定密度的值被发现随着所施加的电压的增加而增加。在恒定的密度范围内，对于给定的电压，鞘层宽度被视为作为增加的驱动频率的函数而增加，从而改变离子能量而不影响离子密度。因此，我们的参数研究表明，所施加的电压和驱动频率的双旋钮提供了一种手段，独立控制的密度和离子能量的低压CCP设备，可以有效地利用等离子体处理应用。
2018-06-18 physics.plasm-ph
Electron power absorption in micro atmospheric pressure plasma jets driven by tailored voltage waveforms in He/N$_2$
在大气压电容耦合微等离子体射流中，电压波形剪裁（VWT）被证明可以提供对电子能量分布函数（EEDF）的最终控制，其允许通过控制电子功率吸收动力学来增强和调节所选中性物种的产生。然而，在基本层面上，VWT的这些影响的物理起源仍然不清楚。因此，在这项工作中，电子功率吸收动力学的研究在He/N $_2$射流与氮浓度为0.05\%驱动的谷波形在基频为13.56 MHz的不同数量的谐波使用自洽的粒子在细胞模拟耦合的时空分辨分析的电子功率吸收的动量平衡方程的基础上。由于在大气压下的传输的局部性质，欧姆功率吸收占主导地位。增加谐波的数量，由于激励波形的特殊形状，接地电极处的鞘层塌陷相对于通电电极处的鞘层塌陷缩短。因此，为了确保该电极处的电子和正离子的通量补偿，在该短鞘层塌陷时驱动高电流通过放电。该电流由高欧姆电场驱动。在靠近接地电极处，电子密度低，电场高，电子被加速到高能量，观察到强电离以及局部电子密度最大值的形成。该电子密度最大值导致局部双极电场，其充当电场反转并将电子加速到甚至更高的能量。详细了解这些效应，从根本上解释VWT在等离子体中用于EEDF控制的独特潜力。
2021-06-06 physics.plasm-ph
RF-Specific Tungsten Erosion and Global Transport in ITER under Neon Seeding
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所）
本研究利用STRIPE框架预测ITER氖注入条件下ICRH天线射频鞘驱动钨侵蚀，发现侵蚀增强64倍但源远小于热源，需耦合建模射频波、鞘、溅射与输运。
2026-09-10 physics.plasm-ph
A computationally assisted spectroscopic technique to measure secondary electron emission coefficients in radio frequency plasmas
本文提出了一种测量电容耦合射频等离子体中次级电子发射系数的计算辅助光谱技术（$γ$ -CAST）。这种非侵入性的、灵敏的诊断是基于相位分辨光发射光谱和基于粒子的动力学模拟的组合。在这样的等离子体中（在正电性气体中的大多数条件下），时空分辨的电子碰撞激发/电离速率具有在每个RF周期内的不同时间邻近每个电极的两个不同的最大值。虽然一个最大值是由于鞘膨胀导致的电子的能量增益的结果，但是第二个最大值是由在相邻鞘上的最大电压降时由鞘电场朝向等离子体体块加速的次级电子产生的。由于这些不同的激发/电离机制，这些最大值的强度比对次级电子发射系数$γ$非常敏感。这种灵敏度又允许通过比较实验激发曲线和用各种$γ$系数获得的模拟数据来确定$γ$。诊断，在这里测试的几何对称的氩气放电，产生一个有效的次级电子发射系数$γ= 0.066 \pm 0.01$的不锈钢电极。
2016-04-11 physics.plasm-ph
Time-Resolved Measurements of Electron Density in Nanosecond Pulsed Plasmas Using Microwave Scattering
在这项工作中，瑞利微波散射被用来测量纳秒高压击穿产生的电子数密度在空气中的两个电极之间的针到针配置（峰值电压26 kV和脉冲持续时间55 ns）。当间隙距离从2 mm增加到8 mm时，峰值电子密度从1*10^17 cm^-3下降到7*10^14 cm^-3（总电子数分别从2*10^13下降到5*10^11）。由于解离复合，电子数密度在大约几微秒的时间尺度上衰减。
2018-05-23 physics.plasm-ph
Machine Learning Accelerated Plasma Simulation through Physics Guided Time Jumps
Department of Nuclear Engineering and Radiological Sciences, University of Michigan（密歇根大学核工程与放射科学系）
提出一种结合学习时间跳跃与物理演化的机器学习加速等离子体模拟方案，在PASCHEN-1D求解器中实现，对纳秒脉冲氮气放电实现4.70倍CPU加速，并保持关键物理特征，展示了增强传统求解器的实用途径。
2026-09-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Measurement of electron temperature in a non-equilibrium discharge of atmospheric pressure supported by focused microwave radiation from a 24 GHz gyrotron
本文研究了一种大气压微波放电，它是由24 GHz回旋管在氩气流中聚焦连续波辐射维持的。电子温度由放置在等离子体炬中的双朗缪尔探针的电流-电压曲线确定。电子温度也估计从等离子体发射光谱的框架内的日冕等离子体模型。所获得的电子温度值在测量精度范围内一致。此外，电子温度比气体温度高许多倍。这一事实使我们能够站在一个显着的非平衡大气压等离子体。
2019-09-03 physics.plasm-ph
Synergistic control of radical generation in a radio frequency atmospheric pressure plasma jet via voltage waveform tailoring and structured electrodes
本研究通过结合电压波形调控与带沟槽的结构化电极，利用模拟和光学诊断证实二者的协同作用可实现射频大气压等离子体射流中电子功率吸收与自由基产生的空间局域化及可逆选择性增强。
2025-06-11 physics.app-ph physics.plasm-ph
