Kinetic Theory of the Presheath and the Bohm Criterion
玻姆判据的动力学理论是基于等离子体动力学方程的正指数速度矩。这一结果与传统的动力学玻姆标准，是基于一个Vlasov方程的v^{-1}矩。这两个结果之间的显着差异是，低速粒子在传统理论中占主导地位，但在新理论中基本上不重要。结果表明，传统的动力学玻姆判据的推导是有缺陷的。低速粒子会引起传统理论中的非物理分歧。这种新方法避免了这些不同的贡献。这两种理论进行了比较，从以前的预护套模型的分布函数的例子。离子-离子和电子-电子碰撞的重要性，以确定整个预鞘的粒子分布函数进行了讨论。本文用一个考虑对流不稳定性引起的波粒散射的动力学方程，说明低温等离子体预鞘（T_e \gg T_i）中的离子-声不稳定性可使离子和电子在鞘层附近获得麦克斯韦分布函数。
2013-01-24 physics.plasm-ph
Particle-in-cell study of the ion-to-electron sheath transition
本文用二维粒子模拟方法研究了小电极附近鞘层的形成，研究了偏压从等离子体电位以下到以上的变化。研究了五个案例：（A）在等离子体电位以下偏置超过电子温度（$T_e/e$）的电极，（B）在等离子体电位以下偏置小于$T_e/2e$的电极，（C）几乎在等离子体电位下偏置的电极，（D）在等离子体电位以上偏置超过$T_i/2e$但小于$T_e/2e$的电极，以及（E）在等离子体电位以上偏置远大于$T_e/2e$的电极。在情况（A）中，观察到电子速度分布函数（EVDF）是麦克斯韦的，具有玻尔兹曼型指数密度衰减通过离子鞘和预鞘。在情况（B）和（C）中，由于快速电子克服电极和等离子体之间的小电势差，EVDF表现出损失锥型截断。没有鞘层存在于这个制度，等离子体保持准中性的电极。EVDF截断导致类似于前鞘的密度和流速梯度。在情况（D）中，存在电子鞘，并且基本上所有离子都被排斥。这里，截断驱动的行为持续存在，但伴随着在负偏置情况下不存在的EVDF的最大值的移位。在情况（E）中，流动偏移变得更大，损失锥进一步移动到EVDF的尾部。在这种情况下，流动力矩对EVDF最大值的流动位移和损失锥截断都有重要贡献。
2016-04-27 physics.plasm-ph
Sheath collapse at critical shallow angle due to kinetic effects
已知在磁化等离子体中，当电子回旋半径足够小，且磁场与壁面之间的夹角很小时，德拜鞘会完全消失。这个角度取决于墙上的电流。当德拜鞘层消失时，穿过磁预鞘层的等离子体与壁面之间仍然存在电位降。对应于预测的鞘层塌陷的磁场角被示出为远小于先前的估计，缩放与电子-离子质量比，而不是与质量比的平方根。这被证明是一个后果的动力学电子和有限离子轨道宽度的影响，这是不捕获的流体模型。计算了德拜鞘消失时等离子体体的壁面势。在这个壁势之上，德拜鞘可能会反转。
2022-02-04 physics.plasm-ph
Characteristics of monotonic sheaths near a wall with grazing magnetic incidence
本文提出GYRAZE代码，在掠入射条件下同时求解磁预鞘与德拜鞘，获取离子和电子在壁面的分布，并发现单调电势存在的临界角随电子回旋半径与德拜长度比值增加而显著增大。
2025-08-12 physics.plasm-ph
Electron Preheaths: The Outsized Influence of Positive Boundaries on Plasmas
电子鞘在物体表面附近形成，比等离子体电势偏置得更正，例如在朗缪尔探针迹线的电子饱和区域中。通常，电子鞘层的形成要求电子收集面积比离子收集面积足够小（$\sqrt{2.3m_e/M}$倍）。它们通常被认为是收集随机热电子流的局部现象，但不会干扰等离子体。在这里，使用实验嵌入在墙上的电极，粒子在细胞模拟和理论，它表明，在低温等离子体条件下（$T_e \gg T_i$）电子鞘是远离本地。相反，长的预鞘区（超过70 $λ_D$）延伸到等离子体中，在那里电子经由压力梯度被加速到超过鞘边缘处的电子热速度的流速。这种快速流动被发现激发不稳定性，导致鞘边缘附近的强烈波动。
2016-10-04 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
Pressure dependence of magnetron sputtering: 2D-RZ particle-in-cell and 1D fluid modeling
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；Silvaco Inc.（Silvaco公司）
本文通过2D-RZ粒子-细胞模拟和1D流体模型再现了直流磁控溅射中电压与压强的关系，揭示了该关系的理论机制。
2026-06-26 physics.plasm-ph
Extensions and Applications of the Bohm Criterion
广义玻姆标准的上下文中，将动力学效应的电子和离子的分布函数的理论重新审视。两种不同的方法的基本假设和结果进行了比较：传统的“动力玻姆标准”和流体矩层次的方法。前者是基于一个无限薄鞘（$λ_D/l =0$）的渐近极限，而后者是基于一个薄的鞘相比，等离子体（$λ_D/l \ll 1$）的微扰膨胀。这里，$λ_D$是德拜长度，其表征鞘长度尺度，并且$l$是等离子体或预鞘长度尺度的量度。这些假设的后果进行了讨论，他们如何限制类的分布函数，由此产生的标准可以应用。两个例子被认为是提供两种方法之间的具体比较。第一种是包含暖离子源的Tonks-Langmuir模型[Robertson 2009 \textit{Phys.\ Plasmas} { \bf 16} 103503]。这突出了传统的动力学理论，它预测慢离子占主导地位的鞘边缘，和流体矩的方法，它预测慢离子几乎没有影响之间的实质性差异。第二个例子考虑平面静电探针偏置附近的等离子体电位使用模型方程和粒子在细胞模拟。这表明了一种情况下，电子动力学效应改变玻姆标准，导致在鞘边缘的亚音速离子流。
2014-12-15 physics.plasm-ph
Effects of particle-induced electron emission on transport properties in electrically-biased plasma sheaths under fusion-relevant conditions
University of Washington（华盛顿大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽西理工学院）；Princeton University（普林斯顿大学）
本研究在连续动力学框架中实现能量依赖的粒子诱导电子发射模型，揭示其对聚变鞘层输运性质的影响，发现鞘层从经典到空间电荷限制的转变主要由电子诱导发射决定，且PIEE增加壁面热和粒子负载的机制为预鞘层中的碰撞能量传递。
2026-09-22 physics.plasm-ph
Derivation and application of sheath boundary conditions for drift-kinetic simulations in a linear plasma device based on a gyromoment approach
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
该研究推导了线性等离子体装置漂移动理学模拟的鞘边界条件，基于 gyro-moment 方法实现其数值化，对比临时边界条件发现新条件可显著提升等离子体壁流出量、降低装置内等离子体密度。
2026-08-13 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Alternative Model of Space-Charge Limited Thermionic Current Flow Through a Plasma
人们普遍认为，通过等离子体的电子电流受到“空间电荷限制”（SCL）阴极鞘层的限制，该阴极鞘层消耗热阴极的负偏压并将上游离子加速到阴极中。在这里，我们制定了一个根本不同的限流模式。在“反向”模式中，两个电极的电势都高于等离子体电势，使得等离子体离子被限制。偏压被阳极鞘层消耗。在中性等离子体区域中没有来自电阻率或预鞘的电势梯度。反向阴极鞘层将一些热电子拉回到阴极，从而限制电路电流。进入零场等离子体区域的经历碰撞的热电子也可以被发送回阴极，从而进一步衰减电路电流。在平面几何中，等离子体密度被示出为在电极间隙上线性变化。建立了一个连续动力学平面等离子体二极管的模拟模型，比较了经典、常规SCL和反阴极鞘层的电流模特性。SCL模式仅在虚阴极的势阱中关闭电荷交换碰撞以防止离子捕获时才存在。在碰撞的情况下，限流平衡必须是逆的。因此，在依赖于热阴极的许多等离子体装置中应该存在或可能存在反向操作模式。从过去的实验证据进行了讨论。反向模式可以提供机会，以最大限度地减少溅射和功耗，这是以前没有探索由于SCL鞘的共同假设。
2018-04-23 physics.plasm-ph
Kinetic treatment of magnetized and collisionless plasma near a wall
带电粒子围绕磁力线旋转，这一特性被用来在磁约束聚变装置中约束等离子体。典型地，回转半径与系统尺寸相比是小的，并且因此回转运动可以被平均掉。由此产生的带电粒子运动紧密地跟随磁场线。在聚变装置的边缘，磁场通常以浅角度撞击在壁上。一个边界层的形式，其中的等离子体密度的变化超过了一个特征距离从壁的离子回旋半径的顺序，因为离子被吸收在他们的回旋运动。这种边界层被称为磁预鞘，并且通常是无碰撞的和准中性的。重要的是，该区域中的电场使离子回旋轨道变形，使其非圆形，从而影响离子密度分布。求解磁预鞘相当于获得自洽电场，对于该电场，净电荷密度为零。在这篇论文中，我假设一个小的磁场角和小的梯度平行于壁发展的渐近理论的磁预鞘，这是用来获得离子密度。小，但至关重要的，贡献的一部分，轨道附近的墙包括在内。为了证明理论的情况下，没有任何梯度平行于壁，我计算数值的自洽静电势假设电子密度是玻尔兹曼分布。利用该模型研究了磁预鞘特性与磁场角和离子温度的关系。得到了穿过磁预鞘的离子的分布函数，这对预测聚变装置壁面的溅射量和侵蚀量具有重要意义。
2018-11-24 physics.plasm-ph
Effect of two temperature electrons in a collisional magnetized plasma sheath
本文用数值方法研究了双温电子碰撞磁化等离子体的鞘层结构和离子能流。低温电子用麦克斯韦分布描述，高温电子用截断麦克斯韦分布描述。已经观察到，高温电子在鞘层电势以及离子到壁的能量通量中起主要作用。鞘层中碰撞的存在对鞘层的性质具有显著影响。对这类系统的研究有助于理解等离子体表面相互作用。
2019-07-24 physics.plasm-ph
Absence of Debye Sheaths Due to Secondary Electron Emission
通过粒子模拟研究了电子撞击壁面平均产生一个以上次级的有界等离子体。结果表明，不存在经典的德拜鞘层和空间电荷限制鞘层。离子不会被吸引到墙壁上，电子也不会被排斥。因此，等离子体电子畅通无阻地行进到壁，导致极端的粒子和能量通量。每个壁都有一个正电荷，形成一个小的势垒或“反鞘”，将一些次级电荷拉回到壁，以维持零电流条件。
2012-03-07 physics.plasm-ph
The effect of ambipolar electric fields on the electron heating in capacitive RF plasmas
我们调查的电子加热动力学正电氩和氦电容耦合RF放电驱动在13.56 MHz的粒子在细胞模拟和分析模型。该模型允许计算电极鞘外的电场，在射频周期内解析空间和时间。电子被发现被加热的强双极电场外的鞘层膨胀的阶段，除了经典的鞘层膨胀加热。通过跟踪单个电子，我们还表明，电离主要是由电子碰撞与扩大鞘边缘多次在一个阶段的鞘膨胀由于背散射向鞘碰撞。需要在鞘膨胀的一个阶段期间这些不同加热事件的协同组合来将电子加速到高于电离阈值的能量。鞘外的双极电场被发现是时间调制的，由于时间调制的电子平均能量所造成的鞘膨胀加热的存在下，只有在一个给定的电极的RF周期的一半。这种时间调制导致在鞘层外的高电场区域内的电子在时间平均上加热多于冷却。如果在护套塌陷期间存在电场反转，则该时间调制以及因此护套膨胀和塌陷的阶段之间的不对称性将被增强。我们建议，双极电子加热应包括在模型中描述的电容RF等离子体中的电子加热。
2016-02-04 physics.plasm-ph
The properties of plasma sheath containing the primary electrons with a Cairns-distribution
Department of Physics, School of Science, Tianjin University（天津大学理学院物理系）
研究含冷正离子、二次电子和初级电子的等离子体鞘层性质，推导广义Bohm准则和Bohm速度，新壁面浮势及新临界二次电子发射系数，揭示非热Cairns分布参数对鞘层性质的显著影响。
2026-03-18 physics.plasm-ph
Resolving the mystery of electron perpendicular temperature spike in the plasma sheath
一个大的等离子体族具有比非中性鞘层宽度长得多的碰撞平均自由程，其与等离子体德拜长度成比例。等离子体，特别是电子，在鞘层中呈现出很强的温度各向异性。鞘流方向上的温度（$T_{e\parallel}$）较低，并且由于加速鞘流的减压冷却而朝向壁下降。在鞘层中，沿流场横向的电子温度（$T_{e\perp}$）不仅较高，而且还出现尖峰。发现$T_{e\perp}$尖峰的这种异常行为是鞘层中横向自由度的平行热通量（$q_{es}$）的负梯度的结果。非零热通量$q_{es}$是由电子的俯仰角散射引起的，通过它们与自激电磁波在近无碰撞等离子体中的相互作用或碰撞等离子体中的库仑碰撞，或两者在等离子体碰撞性的中间区域。
2023-02-02 physics.plasm-ph
Electron dynamics at the initial stage of floating-sheath formation
阐述了插入等离子体中的导电平板前面的鞘层形成问题。最初，假设板是中性的。结果表明，极板的充电过程伴随着电子等离子体波的激发。
2004-10-24 physics.plasm-ph
Sheath electron heating in surface wave discharges driven at microwave frequencies
本文通过全电磁粒子模拟/蒙特卡罗模拟，证明微波频率表面波放电中电子加热主要由运动鞘层相互作用主导，而非等离子体共振，并产生高能电子束。
2025-06-04 physics.plasm-ph
Measurement of electron sheath thickness and collection region of electric probe using laser photodetachment signals
提出了一种新型的激光光剥离（LPD）技术，用于测量静电探针周围的电子鞘层厚度和光剥离电子（PDE）收集区长度。当围绕静电探针形成的鞘的厚度比约0.1mm厚时，观察到LPD信号的时间演变的修改。利用该修正方法，对15 mT的磁场作用下圆柱形探头周围的鞘层厚度进行了计算。结果发现，沿磁场的电子鞘层的厚度与计算的平面平行的Child-Langmuir鞘层的厚度时，探针偏置电压是高的。此外，通过在激光束通道中插入一个小的屏蔽物体，我们可以通过修改LPD信号来测量鞘层厚度。从垂直于激光束通道扫描屏蔽物时信号强度的变化，我们可以观察到光分离电子的收集区，因为这一过程改变了阴影与探针电极之间的相对位移。
2004-10-21 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
Generation of focusing ion beams by magnetized electron sheath acceleration
本文首次对激光驱动鞘层离子在千特斯拉水平外加磁场中的加速过程进行了三维粒子模拟。所施加的磁场在与热电子鞘层的随时间演变的磁化相关联的加速过程中产生两个不同的阶段，并且导致具有强烈增强的能量和数量的多个种类的聚焦、磁场定向的离子源。添加磁场的好处在2D模拟中被淡化，这强烈表明在实验相关条件下观察磁场效应的可行性。
2020-01-17 physics.plasm-ph
Vlasov Simulation of Emissive Plasma Sheath with Energy-Dependent Secondary Emission Coefficient and Improved Modeling for Dielectric Charging Effects
采用一维VlasovPoisson数值模拟程序研究了考虑电子感生次级电子发射（SEE）和背散射的等离子体鞘层。在等离子体模拟中，一般认为单粒子效应系数为常数，本文建立了改进的带电介质壁单粒子效应模型，该模型考虑了壁面充电对单粒子效应系数的影响以及单粒子效应系数的能量依赖性。详细研究了在等离子体模拟中实现上述SEE模型的相关算法。结果表明，随着负壁电荷量的增加，单粒子效应系数增大，而负壁电荷量的增加又降低了发射鞘层电位。与经典发射鞘层理论所预言的线性关系相反，鞘层势是等离子体电子温度的非线性函数，且与能量有关。结合壁电荷效应和SEE系数能量依赖性的模拟表明，在高的等离子体电子温度水平下，鞘层电位和表面电荷饱和，形成空间带电的有限鞘层。此外，还对动力学模拟中实现后向散射的不同算法进行了测试和比较。通过有效的SEE系数将背散射电子转换为次级电子，对鞘层性质几乎没有影响。模拟结果表明，是相称的升级鞘理论的预测。
2022-09-20 physics.plasm-ph
Sheath effects with thermal electrons on the resonance frequency of a DC-biased hairpin probe
本研究针对发夹探针鞘层介电常数等同真空的假设偏差问题，探究电子温度对直流偏置发夹探针鞘层介电及共振频率特性的影响，发现电子温度主导频率曲线形态，且峰展宽现象获实验验证。
2024-06-19 physics.plasm-ph
On the role of secondary electron emission in capacitively coupled radio frequency plasma sheath: a theoretical ground
提出了低压下发射电容耦合射频等离子体鞘层的理论基础。假设射频鞘层是无碰撞的，并与外部源振荡。在推导鞘层动力学方程时，以已知的正弦电压代替电流作为前提条件。进行动力学研究，以确定平均壁电位作为二次发射系数和施加的电压幅度的函数，与完整的平均DC鞘被解决。通过均匀模型下的解析分析和非均匀模型下的数值分析，得到了鞘层的空间电位、电容和随机加热等实时特性。所得结果通过无电离的连续动力学模拟进行了验证。利用粒子模拟方法研究了次级电子引起的碰撞和电离效应，进一步验证了所提出的理论，并对今后的工作有一定的启发。
2019-06-30 physics.plasm-ph
Anomalous Capacitive Sheath with Deep Radio Frequency Electric Field Penetration
描述了一种新的非线性效应，即外加射频电场对等离子体的深度穿透。自洽动力学处理揭示了鞘层和等离子体之间的过渡区。由于鞘层中的电子速度调制，在与鞘层相适应的过渡区中形成高能电子密度的聚束。该区域的宽度为$V_{T}/ω$量级，其中V_{T}是电子热速度，$ω$是电场的频率。与忽略过渡区的情况相比，过渡区中电场的存在导致高能电子的冷却和冷电子的额外加热。
2002-03-14 physics.plasm-ph
Structure of Velocity Distribution of Sheath-Accelerated Secondary Electrons in Asymmetric RF-DC Discharge
弹道人口被认为是负责减轻电子遮蔽效应和光致抗蚀剂层的缺口。我们已经进行了测试粒子模拟，其中电子撞击RF电极的EVDF中的特征在所有能量下都完全解析。已经开发了一个分析模型来预测在EVDF的尖峰和台阶状结构的存在。
2015-03-26 physics.plasm-ph
Study of two-electron temperature plasma sheath using nonextensive electron distribution in presence of an external magnetic field
本文研究了在斜向外磁场作用下双电子温度碰撞等离子体中鞘层形成的物理过程。首先，对流体电子模型、玻尔兹曼电子模型和非广延电子模型进行了比较研究，预测了非广延参数q的合适范围。在后一部分中，考虑了碰撞双电子温度等离子体。热电子密度和冷电子密度都用非广延分布来描述，而冷离子则用流体方程来描述。通过改变非广延参数（q）和热-冷电子密度和温度，研究了不同碰撞机制下鞘层的性质。磁场倾角在极限$1^0 \leq α\leq 5^0$内变化。观察到在近平行磁场作用下电子分布明显偏离玻尔兹曼分布。此外，碰撞增强磁通沉积的高度磁化的情况下是一个重要的发现的研究。本研究的结果可以加深对等离子体物质相互作用过程的理解，其中发现了具有近平行磁场的多个电子群。
2022-08-26 physics.plasm-ph
A Sheath Collision Model with Thermionic Electron Emission and the Schottky Correction Factor for Work Function of Wall Material
本文提出了一个模型，扩展了Godyak的碰撞鞘模型的情况下，热电极（阳极或阴极）与电子发射电子发射。在模型中，假设电极由难熔金属制成，因此，电极的侵蚀很小，可以忽略不计。在双温热等离子体模型的框架下，该模型可以自洽地计算鞘层电位降、壁面材料功函数的肖特基修正因子、等离子体电子流密度以及带电粒子从等离子体到壁面的热通量。将该模型应用于氩气中钨阴极的阴极斑。结果表明，肖氏校正因子在模拟高强度电弧中起着至关重要的作用。结果表明，当阴极电流密度足够小时，在4785 K的阴极表面温度下，大气压氩等离子体中可以形成虚阴极。计算了由带电粒子到等离子体阴极的热通量和由等离子体电子到等离子体的热通量。该模型可简化为冷壁情况，其中电子电子发射和壁面侵蚀过程较小，可以忽略不计。用该模型计算的鞘层电位降和热通量可作为电势的壁面边界条件和电子和重粒子（离子和中性粒子）能量方程的边界条件。
2015-11-13 physics.plasm-ph
Energy-dependent implementation of secondary electron emission models in continuum kinetic sheath simulations
针对等离子体-材料相互作用中二次电子发射影响鞘层结构的问题，提出在连续动理学模拟边界实现半经验模型的新方法，以准确捕获能量依赖的发射全范围。
2024-03-13 physics.plasm-ph
Birth-Potential Multigroup Fluid Model for Ballistic Electrons: Breakdown and Cathode Sheath Regimes
University of Arizona（亚利桑那大学）
针对电子逃逸主导的放电，提出基于出生势的弹道电子多群流体模型，以少量群实现近动力学精度，准确重现帕邢曲线左支和阴极鞘层电流-电压特性。
2026-10-02 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
Effects of oxidation and impurities in lithium surfaces on the emitting wall plasma sheath
本研究针对聚变装置中锂壁氧化影响二次电子发射的问题，采用能量相关的数据驱动发射模型模拟鞘层结构变化，发现氧化会提升壁面电子通量与净能量传递，为理解壁面侵蚀机制提供参考。
2025-05-21 physics.plasm-ph
The Model of Gas-Discharge Nonneutral Electron Plasma
考虑了气体放电非中性电子等离子体模型，其中电子密度受二极管不稳定性引起的非线性过程的限制，而不依赖于磁场中的电子输运机制。该模型较好地描述了磁控管几何结构和倒置磁控管几何结构下的电子鞘层特性和放电电流特性，并首次定量描述了阳极不对准对放电电子鞘层的影响。研究了该模型的适用范围以及与其它电子鞘层模型的关系。
2013-11-18 physics.plasm-ph
X-band microwave generation caused by plasma-sheath instability
众所周知，由于浸没在等离子体中的正偏压电极附近的等离子体鞘层的不稳定性，可能出现电子等离子体频率的振荡。这种不稳定性是由电子通过鞘层时的渡越时间效应引起的。由于电极附近中性气体的额外电离，这种振荡表现为低功率短尖峰。在这里，我们提出的第一个结果时，得到的额外的电离消除。我们成功地延长了振荡在整个时间的正偏压施加到电极。这些振荡可以在比以前报道的高得多的频率（几十GHz与几百MHz相比）和几十mW的功率下获得。这些结果与所提出的理论估计相结合可能是有用的，例如，用于等离子体诊断
2011-09-13 physics.plasm-ph
Continuum kinetic investigation of the impact of bias potentials in the current saturation regime on sheath formation
在这项工作中，我们研究鞘层的形成中存在的偏置电位在电流饱和制度的脉冲功率聚变实验。重要的是要了解壁处的颗粒和热通量如何影响壁材料并影响电极降解。使用1X-1V玻尔兹曼-泊松系统的质子-电子等离子体中的偏置电位范围从0到10千伏的存在下进行模拟。结果表明，在没有偏置电势的情况下，高电势壁附近的鞘层基本上保持与经典鞘层相同。然而，鞘层附近的低电位壁变得更加突出，随着更大的电位降，电子密度的显着降低，和更大的鞘层长度。随着偏置电位的增加，空间恒定电流密度增加到饱和值。电流由低电势壁处的离子和高电势壁处的电子支配。随着偏置电位的增加，热流密度在高电位壁处趋于饱和，在低电位壁处趋于零。计算结果与理论结果有一定的一致性，但由于理论中的简化假设和模拟中考虑的动力学效应，计算结果与理论结果有一定的差异。由于良好分辨的1X-2 V模拟的显著计算成本，对于显示更高电流的5 kV情况，仅执行一次这样的模拟。
2023-01-03 physics.plasm-ph
Floating potential of emitting surfaces in plasmas with respect to the space potential
浮动发射表面与周围等离子体之间的电势差可以用几种鞘层模型来描述，包括空间电荷限制鞘层、高发射电流电子鞘层和电荷交换离子俘获产生的反鞘层。我们的测量结果表明，这些模型中的每一个都有自己的有效性制度。我们确定相对于等离子体电位的发射灯丝的电位，强调发射电流密度和中性粒子密度的变化。在扩散等离子体中的细丝的电位首先被示出为消失，与电子鞘模型和增加的电子发射一致。在一个更密集的等离子体与充足的中性压力，浮丝电位是积极的，所预测的衍生离子捕获条件。最后，灯丝在第三个等离子体中负浮置，其中流动的离子和电子以及不可忽略的电场可能破坏了离子捕获。根据所选择的方案，发射表面可以相对于等离子体电势正或负浮动。
2018-03-06 physics.plasm-ph
Origins of plateau formation in ion energy spectra under target normal sheath acceleration
靶鞘层法向加速（TNSA）是激光与物质相互作用实验中用来加速轻离子（通常是质子）的一种方法。当在厚度为10 $\mathrmμ$ m的薄箔靶上射击时，持续时间为几个10 fs且强度对比度相对较低的激光设置观察到其离子能谱中的平台区域。在本文中，我们确定了一种机制，解释这种现象，使用一维粒子在细胞模拟。激光相互作用产生的快速电子通过靶来回循环，在靶背面产生时间振荡的电荷和电流密度。电子密度的周期性降低导致TNSA鞘场的瞬态破坏：离子谱中的峰因此形成，然后从由进一步的电子再循环驱动的修改后的电势在能量中扩散。激光脉冲持续时间和再循环周期之间的比率（取决于靶厚度，包括比临界密度更致密的预等离子体部分）确定在能谱中是否形成平台。
2017-11-28 physics.plasm-ph
Effects of parallel magnetic fields on sheaths near biased electrodes in a highly collisional Z-pinch plasma
New Jersey Institute of Technology（新泽西理工学院）；University of Washington（华盛顿大学）
研究平行磁场对Z-pinch等离子体中偏置电极附近鞘层的影响，发现磁化电子回旋导致鞘层形成，电流方向和大小受磁场影响显著。
2026-01-15 physics.plasm-ph
Investigation of electric conditions in the vicinity of carbon nanotubes grown in a DC plasma sheath
碳纳米管（CNTs --长管状碳纳米结构）属于最好的电子场发射材料.根据实验测得的双热灯丝/直流等离子体沉积系统中的电子密度，计算了近基片的电场和离子能流。通过数值模拟研究了纳米管尖端附近的电特性随几何参数和等离子体参数的变化规律。考虑到在CNT尖端附近的场增强，确定了作用在它们上的力。数值计算的可靠性进行了测试的模型上的导电球放置在一个均匀的电场，其中有关的电力和场发射电流的理论预测可以推导出来。
2004-11-03 physics.plasm-ph
Plasma sheath studies using a physical treatment of electron emission from a dielectric wall
本研究针对介电壁附近等离子体鞘层模拟中低能电子相互作用未被严格考量的问题，将低能电子反射作为边界条件纳入连续动力学框架开展模拟，发现材料参数对鞘层特性有显著影响，高反射率表面会形成空间电荷限制鞘层。
2024-03-13 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Investigation of Vortex Structures in Gas-Discharge Nonneutral Electron Plasma: III. Pulse Ejection of Electrons at the Formation and Radial Oscillations of Vortex Structure
本文介绍了气体放电非中性电子等离子体中电子喷射形成涡旋结构和径向振荡的实验研究结果。电子以脉冲的形式从涡旋结构和电子鞘的邻近区域注入，脉冲的持续时间和周期性由该结构的演化和动力学过程决定。脉冲喷射的电子被认为是可能的机制。分析了放电电子鞘层中的电子喷射对其他过程的影响。
2015-08-17 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
On the Role of Metastable States in Low Pressure Oxygen Discharges
我们使用一维面向对象的粒子在细胞的蒙特卡罗碰撞代码{ \tt oopd 1}，探讨在10 - 200 mTorr的压力范围内的电容耦合氧放电中的电子加热机制的时空演变。在鞘层膨胀阶段，电子加热在鞘层附近最为显著。我们探讨了如何包括和排除由单重态亚稳态O $_2$（a $^1 Δ_{\rm g}$）和O $_2$（b $^1Σ_{\rm g}^+$）的脱离影响的加热机制，有效电子温度和电负性，在氧放电。我们证明，分离过程有一个显着的影响放电性能，特别是对于较高的压力。在10 mTorr时，时间平均的电子加热主要表现为等离子体块体（电负性核心）中的欧姆加热，并且在更高的压力下，等离子体块体中没有欧姆加热，即鞘层区域中的电子加热占主导地位。
2016-12-15 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
Probing the sheath electric field using thermophoresis in dusty plasma. Part I: Numerical analysis
结合自洽的二维尘埃等离子体流体模型和三维N体程序的计算结果，确定了尘埃粒子悬浮在改进的GEC参考池鞘层中的平衡位置和晶体结构，其中下电极被加热或冷却。德拜长度，电荷和电场重建在亚毫米尺度上通过应用先前开发的，独立的方法。然而，这种方法似乎高估了电荷，因此低估了电场。即使校正了这一事实，结果表明，尘埃悬浮在玻姆点的等离子体侧。离子阻力，这是没有完全考虑到。
2009-07-01 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
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
Magnetized Plasma Sheath in the Presence of Negative Ions
利用流体动力学方程，数值研究了由电子、正负离子组成的弱磁化无碰撞电负性等离子体中鞘层的形成。假设电子和负离子遵循玻尔兹曼关系。一个鞘形成的标准已解析推导。本文着重研究了电负性变化对鞘层结构的影响。已经观察到，负离子的存在对鞘层结构具有实质性影响。本工作中的观测结果对处理等离子体，特别是在半导体工业以及聚变研究中具有深远的意义。
2020-02-13 physics.atom-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Magnetic Field Generation in Core-Sheath Jets via the Kinetic Kelvin-Helmholtz Instability
利用相对论等离子体射流核心和静止等离子体鞘层，研究了速度切变中通过动力学Kelvin-Helmholtz不稳定性（kKHI）产生的磁场。我们的三维粒子模拟考虑等离子体射流核心与洛伦兹因子为1.5，5，和15的电子-质子和电子-正电子等离子体。对于电子质子等离子体，我们发现产生强大的大规模直流电流和磁场，其延伸到整个剪切表面，并达到几十个电子趋肤深度的厚度。对于电子-正电子等离子体，我们发现交变电流和磁场的产生。射流和鞘层等离子体在kKHI产生的强磁场中加速穿过剪切表面。射流和鞘层等离子体的混合产生类似于由韦伯不稳定性产生的横向结构。
2014-07-31 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Continuum Kinetic and Multi-Fluid Simulations of Classical Sheaths
等离子体鞘层的动力学研究是至关重要的，除其他事项外，了解沉积在墙上的热量，溅射的影响，和污染的等离子体与有害杂质。等离子体鞘层还提供了边界条件，并且通常可以对本体等离子体具有显著的全局影响。在本文中，经典鞘的动力学研究进行了连续的代码，Gkeyll，直接解决Vlasov-Poisson/麦克斯韦方程组。该代码使用了一个新版本的有限元不连续伽辽金（DG）计划，在连续时间限制保存能量。使用泊松方程计算静电场。电离和散射碰撞，但表面效应被忽略。这项工作的目的是介绍连续动力学方法，并将其结果与已经建立的有限体积多流体模型（也在Gkeyll中实现）的结果进行比较。新的边界条件的流体允许鞘的形成，而不指定壁通量，所以流体和字段调整自相一致的壁。这里提出的工作表明，动力学和流体的结果是一致的动量通量，表明在某些制度，多流体模型可以是一个有用的近似模拟等离子体边界。流体和动力学结果之间的静电势存在差异。此外，这里提出的分布函数的直接解突出了鞘层中电子的非麦克斯韦分布，强调了动力学模型的必要性。
2017-01-30 physics.plasm-ph
Kinetic Simulation of He radio frequency capacitive coupled plasma
本文利用Particle-in-Cell程序模拟He射频容性耦合等离子体，揭示驱动频率、幅值与相移对鞘层、粒子能量角分布及放电特性的调控作用。
2023-09-28 physics.plasm-ph
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
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
