摘要
等离子体鞘层研究一直是个热点问题，它对于深入理解等离子体与壁（材料表面）相互作用具有重要意义，并在聚变等离子体的边界层以及低温等离子体材料处理等领域具有重要应用。 在磁化等离子体中，虽然有关磁化鞘层的研究已经取得很多成果，但是还存在一些问题有待探讨。在已有的有关电负性磁化等离子体鞘层研究中，前人大多关注不同因素（例如负离子浓度、温度等参数）对鞘层电势分布的影响，忽视了研究平行壁方向的边界速度分量所起的作用。他们的研究中大多直接取平行壁面速度分量为零，或假定一个数值，很少关注这样做所获得的结果的合理性，以至于在边界附近出现一些非物理的结果。前人很少考虑的另一个问题是粘滞效应对鞘层结构产生的影响。当离子速度在鞘内存在较大剪切时，粘滞效应不可忽视。 近年来壁面发射电子引起鞘层结构的改变引起了很多学者的关注。发射电子主要包括二次电子和热发射电子，理论和实验表明发射电子在壁面附近的聚集会引起空间电荷效应，极大地改变鞘层的性质，例如出现虚阴极结构或出现反鞘。在以往的研究中，壁面发射的二次电子一般假定是由等离子体中的电子（高能量足以克服鞘层势垒）轰击壁面而产生的，其研究工作主要针对悬浮鞘。若壁负偏压较高，等离子体中的电子被负的鞘层电势反射，到达壁面的电子密度几乎为零，此情况下不可能存在等离子体电子引起壁面二次电子发射。相反，等离子体中的离子密度却衰减较慢，离子又被鞘层电势降加速获得较高能量，因此存在离子轰击壁面而产生二次电子的可能性。若离子产生的二次电子足够多，同样可以改变鞘层结构，目前尚无学者对这种模型开展过研究。本课题组前期的实验中曾观察到在较高负偏压的不锈钢金属平板附近存在虚阴极鞘，如何建立理论模型来解释该实验现象是一个未解决的问题。 针对上述两类问题，本论文开展了以下几方面的工作: 本论文的第二、三章使用一维空间、三维速度的流体模型，考虑碰撞和离子温度效应，分别研究剪切粘滞效应和负离子成分对磁化等离子体鞘的影响。研究发现，进入鞘边界的离子速度，除了沿壁法线方向的分量满足玻姆判据外，平行壁方向的分量及其剪切须满足自洽的边界条件，否则边界附近的空间电荷密度分布会出现“隆起”（或“尖峰”）现象。研究表明，粘滞效应导致磁化鞘层厚度变大，尤其当碰撞效应很弱时，该效应更明显;负离子的存在使鞘层厚度变小，但升高其温度却导致鞘层变厚。 本论文第四章和第五章分别研究了负偏压壁面附近由离子诱导的二次电子引起的虚阴极结构，以及离子束一等离子体系统中离子束对虚阴极结构的影响。研究表明只有二次电子产额超过某一临界值时才能形成虚阴极结构。模拟结果表明二次电子温度、离子马赫数，鞘边界与虚阴极的电势差都会对虚阴极的深度产生影响。二次电子温度越高，虚阴极深度越深且鞘宽越大。同时，离子马赫数和边界与虚阴极的电势差两种影响因素竞争的结果导致虚阴极净深度发生复杂变化。离子束一等离子体系统中的虚阴极鞘内还存在独立的带有一定能量的离子束成分。研究表明形成虚阴极结构壁面发射电子密度必需超过某一阈值。数值结果表明，对于给定的壁面发射电子密度，离子束能量和密度越高，发射电子温度越低，所形成的虚阴极深度越浅。虚阴极鞘的电势分布数值计算结果表明，离子束的存在增大了形成虚阴极的难度，它削减了虚阴极的深度同时也压缩了整个鞘层。 第六章针对前期开展的有关离子束一等离子体系统中观察到的负偏压金属平板附近所呈现的较深虚阴极结构，利用上述模型针对实验参数进行数值计算，将结果与实验对比，并讨论了含虚阴极结构的鞘层模型适用于解释实验结果的可行性。深入对比实验和理论结果，发现二者有很大的出入，要形成实验所观察到的虚阴极深度，所需的二次电子产额异常高，因此实验中可能还存在其它产生二次电子的因素。
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