双盘绕串联式天线螺旋波放电的模拟分析

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螺旋波等离子体(helicon plasma)由一种新型等离子体源,它利用天线与等离子体中的右极化波(螺旋波)的共振,通过朗道阻尼的方式加热电子,产生高密度的等离子体。螺旋波等离子体的激发需要外加磁场,通常磁场强度为几百高斯。随着研究的进一步的发展,为了获得高密度等离子体,人们发展了高磁场下(磁场强度几千高斯到几个特斯拉)的螺旋波等离子体。近年来,在高磁场下的螺旋波等离子体的研究中,虽然目前已经发展了一些实验装置,开展了一些研究工作。但是,由于高磁场下等离子体诊断技术的复杂,实验结果的报道较少,同时模拟工作也比较欠缺,因此对高磁场下螺旋波放电机制缺乏深入了解,需要开展进一步的研究工作。本文采用有限元分析,用COMSOL Multiphysics软件模拟双盘绕串联式天线螺旋波放电。在模拟中,耦合了COMSOL Multiphysics中的等离子体模块及低频电磁场模块,分析了二维几何模型螺旋波等离子体的电子密度,电子温度,功率吸收密度等等离子体性质随外加磁场的变化规律,以及随输入功率、放电气压的变化规律。模拟发现,在磁场为0.2T至0.3T之间,以及随后在0.5T至0.6T之间、0.8T至1.0T之间,天线与螺旋波共振耦合,等离子体的电子密度发生跳变,而磁场超过1T之后,等离子体密度趋于饱和,不再增大。功率吸收密度随磁场增大的变化趋势同电子密度相似,均出现跳变,并在磁场超过1T之后趋于稳定。同时发现,在0.25T下,随着输入功率的增大,等离子体电子密度,功率吸收密度出现跳变,满足天线与螺旋波共振耦合模式,而在1T下,等离子体电子密度及功率吸收密度平稳增大,不满足天线与螺旋波共振耦合。
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