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Vol.74 No.23
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2025年11月05日
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摘要 +
可变比冲磁等离子体发动机具有大推力、高比冲、长寿命、可变比冲、和高效率等技术优势, 是未来深空探测、载人航天所必需的先进动力装置. 可变比冲磁等离子体发动机内螺旋波等离子体源与离子回旋共振单元相互串联, 探究发动机内电离过程对离子加热过程的影响规律对发动机性能测试与优化具有重要意义. 本文建立了串联螺旋波等离子体源与离子回旋共振单元的多组分流体模型, 并在不同螺旋波等离子体源输入电流与气压条件下进行了数值模拟, 探究了螺旋波等离子体源工作状态对离子回旋共振单元离子能量密度的影响规律. 研究结果表明: 螺旋波等离子体源放电模式随输入电流与背景气压增大逐渐转变, 计算区域内等离子体密度与离子回旋共振单元内的离子能量密度出现跳变现象; 在本文模型及输入条件下, 螺旋波等离子体源中的工质电离过程与离子回旋共振单元的离子加热过程是解耦的, 螺旋波等离子体源的工作模式并不影响单个离子通过离子回旋共振单元所获得的能量增益, 发动机进而可以实现多模态工作.
摘要 +
针对环境扰动引起单光子偏振态随机漂移的问题, 本文提出了一种实时锁定1550 nm单光子线偏振态的实验系统. 通过使用单光子偏振调制技术操控偏振旋转器实时锁定任意1550 nm单光子线偏振态到同轴检偏器的光轴方向, 在2000 s内单光子偏振漂移限制在0.0011 rad以内, 这种具有稳定线偏振态的1550 nm单光子脉冲可以直接用作偏振编码或相位编码量子密钥分发系统的单光子源.
封面文章
2025, 74 (23): 235201.
出版时间: 2025-12-05
摘要 +
容性耦合等离子体源具备结构、造价低、能产生大面积均匀等离子体的优点, 被广泛应用于半导体芯片制造的刻蚀、沉积等工艺中. 为了满足先进生产工艺的需求, 人们常常需要对等离子体源实施流体模拟, 从而对等离子体的密度、均匀性等重要参数进行优化. 本文采用自主研发的容性耦合等离子体快速模拟程序对双频容性耦合Ar/CF4等离子体源进行了三维流体模拟, 以对程序在该问题中的有效性进行初步验证, 并研究气压、高低频电压、低频频率、气体组分比例等放电参数对等离子体产生的影响. 模拟结果显示, 该程序具有极高的模拟速度; 随着低频电压的增加, 等离子体密度先近似不变, 后显著增大, 而等离子体的均匀性先上升, 后显著下降, 在此过程中低频电源带来的γ模式加热逐渐增加, 直到取代高频电源的α模式加热成为主导; 随着低频频率的增加, 等离子体密度先近似不变, 后略微增大, 而等离子体的均匀性变化不大, 这是因为低频电源的γ模式加热与频率无关, 而α模式加热远远低于高频电源; 随着高频电压的增加, 等离子体密度显著增大, 而等离子体的均匀性先上升, 后显著下降, 在此过程中高频电源的α模式加热显著增强; 随着气压的增加, 等离子体密度明显增大, 同时等离子体的均匀性也明显上升, 原因是粒子与背景气体间碰撞更为充分; 随着背景气体中Ar比例的增加, 等离子体密度变化较小, Ar相关粒子的密度总体呈上升趋势, CF4相关粒子的密度总体呈下降趋势, 但部分粒子的密度变化存在非单调的情况, 这体现了部分组分的电离、解离间具有相互促进的作用.
摘要 +
弓网滑动电接触是高速列车获取能量的唯一途径. 随列车速度、牵引功率提升以及在复杂多变环境中运行, 弓网电弧发生率提高、物性参数改变、危害增加, 严重威胁高铁安全. 本文系统综述了弓网电弧研究进展, 梳理了弓网电弧物理特性、仿真及试验研究方法, 重点分析了运行参数与环境条件对弓网电弧的影响机理及规律, 归纳了防治策略并探讨了电弧能量利用等新方向. 现有工作充分研究了运行参数对弓网电弧危害的影响, 但对弓网电弧物性参数及演化机理的研究较少, 缺乏对覆冰等特殊工况下弓网电弧特性的研究; 且现有弓网电弧防护手段需针对复杂环境工况进行改进, 以满足我国高铁大规模跨区域运行时的弓网电弧防护需求. 基于综述提出两点未来展望: 1)要厘清特殊环境弓网电弧物性参数, 探明“环境工况-物性参数-电弧行为”关联机制, 为精准预测提供基础; 2)要从“源头抑制-界面防护-过程干预”出发, 建立弓网电弧高效防治体系. 本文旨在为中国高速铁路弓网系统的可靠受流与电弧防治提供理论参考与工程借鉴.
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2025, 74 (23): 235203.
出版时间: 2025-12-05
摘要 +
大气压低温等离子体在生物医学、环境保护、纳米制造等领域具有广泛应用, 而这些应用中的核心过程通常是等离子体与水溶液的相互作用. 等离子体与水溶液的相互作用非常复杂, 既包含种类繁多的气液两相反应, 也包含相互耦合的粒子传质过程, 使得现有的实验技术难以系统地阐释内在机制, 仿真研究至关重要. 10余年来, 国内外对等离子体与水溶液相互作用的仿真研究取得了重要进展, 基本解决了传质与反应参数缺乏的问题, 从无到有建立了多种类型的仿真模型, 并积极探索基于人工智能的新型仿真方法, 显著提升了对该领域的认知水平. 本文将从参数获取、模型构建到智能算法3个方面综述近年来的仿真研究进展, 以期为国内同行和研究生提供参考.
2025, 74 (23): 235204.
出版时间: 2025-12-05
摘要 +
在大气压介质阻挡放电的某些应用场景中, 待处理物表面附着的水滴会改变气隙宽度、介电分布、气相成分等条件, 进而影响低温等离子体的应用效果. 本文建立了大气压氦气介质阻挡放电仿真模型, 探究了接触角为45°, 90°和135°的水滴附着于待处理物表面时稳态放电结构与活性粒子分布受到的影响及其背后机制. 结果表明, 水滴表面与上方区域的稳态放电强度受到削弱, 这是因为在负击穿中, 水滴表面的极化电场增强了等离子体双极性扩散, 促成环形放电抑制区; 在次正放电阶段, 水滴极化导致的种子电子清除效应抑制了水滴上方区域放电, 上述放电抑制作用随水滴接触角变大而提升. 在化学分布部分, 待处理物和水滴表面的活性粒子与电子存在着协同分布关系, 其中O与N的分布会因O2与N2键能的不同产生差异, OH与He+的分布则分别受到水滴蒸发与电场的影响. 本文系统地阐述了水滴附着对介质阻挡放电电化学过程的影响机制, 为等离子体-液滴系统的相关应用提供了理论指导.
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2025, 74 (23): 235205.
出版时间: 2025-12-05
摘要 +
容性耦合等离子体(CCP)的流体模拟对于理解放电物理机制非常重要, 但其高昂的计算成本制约了大范围参数化探索. 为突破该限制, 本文开发了一种深度学习代理模型, 旨在以近瞬时推理速度复现一维CCP流体模型的输出结果. 该模型精确预测了容性耦合氩等离子体流体模拟中关键等离子体参数的空间分布, 包括电子密度、电子温度及电场分布, 并将所需计算时间从数小时压缩至毫秒量级. 除加速优势外, 代理模型学习过程还揭示了根植于等离子体物理的非对称推理能力. 代理模型可从复杂的低压物理域外推至更简单的高压物理域, 反之则不可行, 表明低压状态具有更完整的物理信息. 进一步, 本文建立了一个模型推理的置信边界, 确保预测结果的物理可靠性. 本文的研究为创建高保真、超快速的流体模拟等离子体替代提供了方案.
摘要 +
以C4F8为代表的碳氟等离子体因其可精细调控的F/C比、高活性自由基密度及优异的材料选择性, 已成为纳米级半导体刻蚀与沉积工艺的核心介质. 高深宽比刻蚀中, 发射光谱诊断将影响形貌的活性粒子密度与光谱特征关联实现原位监测, 为精度与良率协同优化提供有效途径. 其中, 兼具动力学模拟与光谱分析的等离子体模型是必不可少的. 本文建立了一种适用于发射光谱在线分析的C4F8/O2/Ar等离子体模型. 通过C4F8分解路径与碳氟自由基氧化机制分析, 精炼了化学反应全集. 在此基础上, 加入了F, CF, CF2, CO以及Ar与O的激发态能级的碰撞辐射过程, 与光谱特征建立了关联. 分析了典型感应耦合放电条件下活性粒子演化规律, 并与实验数据进行了验证. 结合动力学溯源, 阐明了碳氟自由基与离子的产生损失机制, 并讨论了可能存在的误差来源. 该模型具有在实际刻蚀工艺场景中发射光谱在线监测的应用前景.
摘要 +
低温等离子体的反问题是指根据等离子体的密度、电场等物理特性来反演电压幅值、频率等放电参数, 反问题的求解是对等离子体进行智能控制的重要前提, 在流体描述的框架下, 基于传统的离散化方法来求解反问题往往是非常困难的. 本文引入物理信息神经网络(physics-informed neural networks, PINNs)对大气压射频等离子体的反问题进行求解, 把连续性方程、泊松方程及漂移扩散近似等主要控制方程与作为待求解放电参数的电压幅值与频率, 及额外的电场数据这3部分作为约束嵌入PINNs的损失函数中. 经过训练后, PINNs可以实现对电压幅值与频率等放电参数的精确反演, 且可以保证误差均在1%以内, 同时也可以完整地输出密度、电场、通量等物理量的时空演化. 为进一步优化额外数据对PINNs计算的影响, 本文还深入分析了电场数据的采样位置、采样数量以及噪声水平对反演电压幅值与频率的效果. 本研究表明, PINNs能够在给定实验或计算数据条件下, 实现射频等离子体放电参数的精准反演及等离子体物理特性的精确计算, 从而为推进对等离子体的智能控制打下基础.
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