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1、Ar+、He+粒子对介质基底面沉积的PIC/MCC碰撞模拟1、等离子在目前的领域的发展自20世纪20年代特别是50年代以来，等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。在实验上，已经建成了包括一批聚变实验装置在内的很多装置，发射了不少科学卫星和空间实验室，从而取得大量的实验数据和观测资料。在理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律，还发展了数值实验方法。最近半个多世纪来的巨大成就，使人们对等离子体的认识大大深化；但是一些已提出多年的问题，特别是一些非线性问题如反常输运等尚未得到完善解决，而对天体和空间的观测的进一步开展，以及受控热核聚变和低温等离
2、子体应用研究的发展，又必定会带来更多新的问题。今后一个相当长的时期内，等离子体物理学将继续取得多方面的进展。2、OOPIC简介OOPIC是一个功能强大的二维粒子模拟（图）。它的目的是模型等离子体，梁带电粒子，外部产生的电场和磁场的领域，和低到中等密度中性气体，使用各种边界条件。它包括静电和电磁领域的解决，以及支持XY（板）和归零（圆柱）形状。OOPIC提供了方便和直观的图形用户界面上使用微软窗户、操作系统，以及一批模式从命令行运行工作。该oopic物理内核已用于世界各地的研究人员，从1995模拟多种具有挑战性的问题。这些包括等离子体显示板，离子注入，高功率微波器件，和下一代的粒子加速器概念。该
3、代码是比较罕见的粒子模拟的能力背景中性气体通过处理电离电子碰撞或诱导的穿隧效应。本文所借助于OOPIC软件，利用其中的deposition对Ar+、He+等离子的对凹槽的轰击以及对基底的碰撞进行观察研究。deposition（沉淀）是指一种新型离子沉积在基片表面，包括壕沟，固定在X1，假定离子已加速到鞘。采用MCC法可计算出自恰的等离子体电位及离子密度分布。从而分析了磁场形态和气压对等离子体密度空间分布，入射到衬底上的离子通量和平均能量的影响，从结果可以看出磁场形态和气压都可用来独立控制等离子体流的性能，由此可以分析得出粒子对基底的碰撞轰击的各种现象。 本文主要研究的是在轰击碰撞中，各种粒子、
4、电子的各种参数的改变。我们主要以氩、氦为研究的对象，针对其在轰击碰撞的时候的一些参数变化。MCC蒙特卡洛碰撞参数常用于模拟粒子与背景气体的碰撞，也导致气体的电离。支持多重气体类型，每一个都带有自己的蒙特卡洛碰撞参数块(MCC)。3、Ar+、He+粒子在质基底表面沉积的概念3.1、等离子体的定义当物质被加热时，它将依次经历从固态到液态后再到气态的转变。当气体继续被加热，随着气体分子无规则运动的加剧，他们将首先由于碰撞而分解电离为其组分原子，接着，原子本身也开始离化，结果形成自由电子和离子。当气体中的离化达到一定程度时我们称之为等离子体。等离子体的这种准电中性并不是从物质的初始状态“遗传”下来的性
5、质，而是作为等离子体区别于普通电离气体的判定标准而存在。等离子体作为由带点粒子所形成的集体，它的主要特征就是：这个集体中的粒子之间长程库伦力出现新型的相互作用，正是由于这个新型的相互作用带电粒子的集体才获得新的性质。事实上，这个集体与由这些粒子产生而又和这些粒子相互作用的电磁场一起形成某个整体。因此当电离气体中的带点粒子的密度很高，使这些粒子与电磁场的相互作用变得很重要时，就可以称这种气体为等离子体。为了判断这种相互作用是否变得重要了，通常是利用等离子体准中性的概念作为定量的标准。3.2、等离子在基底表面的沉积 所谓的离子在基底表面的沉积是指粒子经过加速，形成一种新型粒子沉寂到某基片表面（包括
6、壕沟）。等离子体沉积技术的基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积。3.3、蒙特卡罗碰撞(MCC)的处理方法针对气体碰撞电离过程,蒙特卡罗碰撞(MCC)的处理方法,利用MCC方法编写了气体碰撞电离模块,模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器。模拟结果表明:当He气密度较低时,电离的正离子由于较重无法自由移动,形成了正离子通道,可以有效中和电子束空间电荷场,有利于电子束传输和群聚,提高了束波互作用效率,微波输出功率得到了明显提高,起振时间也有所缩短;当进一步增加He气密度时,电离碰撞增强
7、,电子和离子数目会雪崩式增长,电子束由于碰撞增强而导致能散度增大,其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应,反而不利于电子束的群聚和共振,从而导致输出微波功率降低乃至截断,起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致,但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持。4、碰撞模拟研究两个粒子在发生碰撞时，将会有许多现象发生，比如粒子的动能和动量将会发生改变，中性粒子可能被电离，带电粒子也变为中性粒子等。带电粒子与中性原子的碰撞包括电子-原子碰撞和离子-原子碰撞。电子-原子碰撞可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种。如果碰撞前后的系统总能量守恒，我们称之为弹性碰撞，虽然总动能守恒，但是单个粒子的动能一般会
8、发生变化，即有动能的传递发生；总动能如果不守恒，我们称之为非弹性碰撞。这时一般意味着原子被激发或者被电离消耗了系统动能；另外，当碰撞使得激发态原子退激发时，系统总动能可能会增加，我们称之为超弹性碰撞。本文主要研究的是在轰击碰撞中，各种粒子、电子的各种参数的改变。我们主要以氩、氦为研究的对象，针对其在轰击碰撞的时候的一些参数变化。下面我们分别讲述在轰击碰撞的过程中，粒子、电子的某些参数改变的情况。4.1、电子、粒子的空间分布情况与能量在弹性碰撞中，电子经历一次碰撞损失的能量为，其中me和Mn分别为电子质量和质子质量。现在我们关注的是碰撞前后粒子动能的改变，则需要用微分散射截面的的概念，表示一束粒
9、子被散射到空间角的几率，因为散射过程是对于是对称的，我们将碰撞之后动量在方向的偏转作为权重来表示碰撞之后粒子动量在入射方向的改变。 图（1）氩粒子的相空间分布 图（2）氦粒子的相空间分布在能量一定的情况下，对于不同的粒子（惰性气体粒子），经过一段时间对基底的轰击，其在相空间的分布情况是不同的，以氩粒子跟氦粒子在相空间的粒子分布可以看出（如图1，图2），氩粒子的相空间分布明显比氦粒子的相空间分布较密些，则可以知道，不同质量的粒子对基底的作用不一样，质量小的粒子对基底的轰击力度比较小，因为在轰击的过程中所受到基底以及压强、电压、电流、密度等原因对粒子本身的作用力较大，故而轰击的力度减小了。从粒子的
10、相空间分布可以知道，能量的大小影响着粒子的相空间分布。但是电子的相空间分布却不同于粒子，从图中我们可以看出（如图3，图4），经过一段时间的模拟，在电子的相空间里面，电子的分 图3 氩电子的相空间分布 图4 氦电子的相空间分布 布跟粒子的相空间的分布却有些相反的，从图中可以看出，氩电子的分布相对于氦电子的分布来说较疏一些。如果入射电子具有较大的能量，它不仅会被散射，并且会影响原子的轨道电子，将其跃迁到更高的能级，使原子处于激发态随后原子将退激发到基态，并释放一定能量，对于每一个原子的每一个能级都有一个这样的激发截面来表征事件发生的概率。当电子的能量更高时，有可能将原子的轨道电子剥离，这就是所谓的
11、电离过程。显然当电子能量小雨原子的电离能时电离截面为零。随着电子了能量的增加，开始缓慢下降，这是因为电子速度增加使得电子和原子相互作用的时间变短。双电离在一次碰撞过程中极少发生，但是被电离的原子可能在另一次碰撞中再次发生。（见参考文献）4.2、电子、粒子的总密度分布 在电子、粒子的总密度上，同样以氩、氦两种不同的元素来模拟。从图中（图5、图6）可以知道，从时间的轴往上看，所表现出来的在电子、粒子的总密度上，同样以氩、氦两种不同的元素来模拟。从图中（图5、图6）可以知道，从时间的轴往上看，所表现出来的大 图5 氩粒子、电子的总密度 图6 氦粒子、电子的总密度致现象没有多大的区别。在最初很短一段时
12、间里，两种粒子的总密度上升的速度很快，但是经过一段时间后，粒子的总密度呈缓慢的趋势上升；而电子却从始至终都是以一定的斜率上升。但是从粒子和电子数的数量上却有很大的不同。首先在粒子总密度上，氦粒子的总密度量远小于氩粒子的总密度量，而氩电子的总密度量却较氦电子多。从密度的大小上来看，氦粒子的密度较氩粒子要密，而氦电子的密度却较氩电子来说要稍微稀疏一些。4.3、碰撞过程中的数密度分布情况 同样以氦、氩两种不同的元素作为模拟的对象，数密度的分布情况用的三维的坐标来表示，现选择以不同角度所显现出来的现象进行分型。 图7 氩粒子的数密度 图8 氦粒子的数密度首先在粒子中，以y-z面为对象，在最开始很短一段
13、时间里，以很快的速度从z轴慢慢的向y轴靠拢，斜率逐渐减小，所形成的锋面似双曲线，越往下就越密集；但在x-z面形成了如图所示的形状，总的来说，氩粒子的数密度比氦粒子的数密度大，但是氩粒子的数密度越往右，其数密度渐渐减小，而氦粒子则有上升的趋势。同样都是惰性气体，但在电子数密度分布的却情况完全不同，电子的质量大的氩电子的数密度分布相对于电子质量较小的氦电子的数密度分布来说，要疏得多；而且在分布的特点上，在X轴方向上，氩电子呈现的比较趋近于波形的样子，而氦电子呈现给我们的是较倾斜的一条下滑线。 图9 氩电子的数密度 图10 氦电子的数密度 总的来说，无论是粒子还是电子，在轰击基底壕沟的时候都会受到其
14、质量的影响。但不同的粒子对于不同的研究面影响的程度各有不同；而电子也一样，在不同的情况下，电子所受到的能量干扰也不一样，故得到的总密度、数密度等结果不一样。5、在研究中遇到的问题及解决问题的方案在研究的过程中，由于遇到来自各方面的因素，导致在研究的过程中遇到很问题：1、借助的软件为全英文软件，英语功底的不好给研究的过程增加了很多难度；2、之前对微小粒子的理解不全面，导致在研究的过程中会由于这个因素而不得不暂停；3、由于在研究的过程中联系到了微积分的计算，也给研究的内容增加了不少困难等等。鉴于在研究的过程中遇到了来自各个方面的问题以及困难，但是我还是借助于很多的资料以及上网的方法来解决了这次研究
15、中所遇到的困难：1、借助于英汉翻译软件金山词霸，让我能在研究全英文软件的过程中得心应手；2、研究过程中因为对微小粒子的不全面理解导致很多时候暂停研究，我参考了很多网上的资料以及书上的知识，让这些问题也可以迎刃而解；3、所涉及到微积分计算，我选用了高等数学第三版所学知识，虽然做起来还是很困难，但也都把所遇到的问题解决了。在研究的过程中遇到的问题不仅仅是这些，所解决的问题的方案也不止这些，但是为了顺利完成这次课题研究，我看了一些必要的资料和上网查询的方法，将这次课题研究顺利完成。6、总结在模拟的过程中，由于是在只改变质量的情况下进行的，所以得到的结果证明了不同元素、不同的质量，对基地的轰击效果也不一样，得到的各种也不一样。因而在模拟的时候，必须保证在模拟的过程中除了质量以外的其他量不变。在模拟过程不同元素的同种属性的时候，观察的过程必须保证所观察的面处于同一平面，不然所测的结果就会有差异，导致结果的不准确。因为在科学研究的过程中必须做到准确，不容差池。粒子、电子对基底的碰撞轰击是属于微小粒子的研究，更需要的耐心、细心和信心，希望在以后的学习研究中能够做到更好。参考文献
