基于空心阴极的高密度等离子体源的实验研究

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高密度等离子体源是材料处理、电磁防护、等离子体隐身等众多应用领域的共同需求。空心阴极放电(Hollow cathode discharge,HCD)是产生高密度等离子体的手段之一,具有独特的空心阴极效应(Hollow cathode effect,HCE),可使得孔内产生“钟摆效应”,显著提高阴极孔内电离率和电子密度。本文通过调节不同的实验参数,将空心阴极内部高密度的负辉区推出孔外,并通过外加磁场的限制,最终实现孔外高密度等离子体。通过实验,获得了直流和脉冲驱动下氩气中空心阴极放电的伏安特性、等离子体密度、光辐射图像等。结果表明,在高压直流驱动下的空心阴极放电工作于反常辉光模式,而高压脉冲驱动下空心阴极放电工作于增强型辉光放电模式。脉冲驱动下的放电电流及光辐射图像表明,不同脉冲宽度下的放电中,均存在一个幅值较大、宽度100μs量级的电流波动,这对负辉区扩展到阴极孔外及等离子体柱的形成起重要作用。在空心阴极的孔深3 mm、孔径10 mm,氩气气压为0.5 Torr,磁场为200 Gauss,两种驱动方式下获得等离子体密度最高,约1011cm-3量级。
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