等离子体与壁相互作用的二次电子发射特性研究

Plasma-wall interaction involved with secondary electron emission (SEE) has become a research hotspot in the field of plasma science and technology, due to that SEE can alter plasma-wall interaction and change plasma properties at the same time affecting the applications of plasma. Direct, fast and accurate measurement of SEE coefficients of the graphite etc. wall surface induced by low energy electron is researched in the project. Aimed at key issues on functionalized wall to modulate the SEE characterictic and its influence on plasma sheath, the investigation on plasma sheath with SEE is carried out using plasma on-line diagnosis in combination with wall characteristics study. By using a variety of laboratorial diagnostic techniques including probe, optical spectrum, mass and energy analyser, with regulation of different wall materials, structures and elementary compositions, the influence on respective plasma parameters (such as plasma potential and electron temperature) is investigated, as well as the energy distribution of the incident ions, in order to reveal the relevance of wall condition, SEE and plasma sheath. The physical model of plasma sheath with SEE is built, and the active control of plasmas properties by judicious choice of the wall is achieved, thus providing theoretical and technical reference for applications of related technologies as well as industrialization development.

含有二次电子发射的等离子体与壁面的复杂相互作用，由于可同时改变两者状态而直接影响等离子体的应用，成为等离子体科学技术领域的研究热点。本项目对低能电子引起的石墨等壁面二次电子发射系数进行直接、快速、精确的测量。针对壁面功能化调制二次电子发射特性以及二次电子发射对等离子体鞘层影响的关键问题，本着等离子体在线诊断、壁面表征相结合的原则，研究存在二次电子发射的等离子体鞘层。分别采用探针、光谱、质量能量分析等实验诊断手段，通过不同壁面材料、不同壁面构造和不同壁面成分的调节，研究其对等离子体参数（等离子体电势、电子温度等）及入射到壁面离子能量分布的影响，探求壁条件，二次电子发射，等离子体鞘层的关联，建立存在二次电子发射的等离子体鞘层的物理模型，选用合适的壁条件实现等离子体性质的主动控制，为相关技术的应用和工业化发展提供理论和技术参考。

所有等离子体中电子温度大于20 eV的介质壁，以及大于50～100 eV的金属壁情况下，受到强二次电子发射（SEE）的影响：磁约束聚变装置，等离子体推进器，高功率微波电子器件，等离子体处理放电。强的SEE能够明显降低鞘层电势，增大从等离子体到壁的电子热通量，从而导致：1）壁加热和蒸发，2）等离子体冷却乃至熄灭。因此SEE可同时改变两者的状态而直接影响等离子体的应用，并成为等离子体科学技术领域的研究热点。本项目主要依托苏州大学二次电子测量系统，以及强磁场螺旋波实验装置（HMHX）产生高密度螺旋波等离子体放电，开展了SEE系数的主动调制和测量，以及存在SEE时，等离子体与材料相互作用研究。取得如下研究进展：.（1）完善低能电子（10～100 eV）的导体和绝缘体SEE系数的测量平台系统，直接、快速、精确地测量了高纯裂解石墨、钼、钨、铼耐高温导体的SEE系数及SEE能谱。.（2）开展扫描电子显微镜（SEM）表征/评估超构材料SEE系数的研究。利用SEM图像处理，包括将天鹅绒图像的所有像素分割成纤维像素和石墨基像素， SEE系数可以通过公式δ碳纤维 ≈ δ石墨 A白/A总。.（3）使用由高纵横比碳纤维构成的天鹅绒材料，其SEE系数比石墨材料降低了近65%。用真空中电子束测量不同天鹅绒样品二次电子发射系数，论证了二次电子发射系数取决于纤维长度和组装密度，它们受电子束撞击的天鹅绒样品的长绒纤维阵列的强烈影响。用使用天鹅绒作为壁材料的霍尔推进器研究发现SEE减少，使得霍尔推进器能够承受高达103 V/m的直流电场。.（4）系统开展等离子体放电诊断研究。利用探针、光谱、减速场能量分析仪、EQP等，进行系统诊断，研究不同工作参数下等离子体放电参数特性和实验规律，实现高参数螺旋波放电，其相关等离子体参数为，电子密度ne~1020 m-3、电子温度Te~6-7eV、离子温度Ti~80eV、离子通量Фi~8×1023/m2s。研究了不同壁材料对螺旋波等离子体性能的影响，调制壁材料表面特性，实现了等离子体特性的主动控制，为具有自主知识产权的选用壁材料性质实现主动控制等离子体性质的新技术的研发提供必要的科学依据、技术支撑。.