矩形管由于自身形狀的原因會(huì)造成等離子體注入的不均勻性，給內(nèi)表面改性帶來困難。本文基于particle-in-cell(PIC)模型采用Matlab軟件對矩形管內(nèi)壁等離子體離子注入進(jìn)行數(shù)值仿真，主要考察了內(nèi)電極形狀(圓電極、三角電極、矩形電極)對管筒內(nèi)壁注入劑量分布的影響。結(jié)果表明，中心圓電極、三角電極誘導(dǎo)的離子注入劑量呈現(xiàn)/M0型分布，象形矩形電極會(huì)導(dǎo)致長短邊離子注入劑量密度產(chǎn)生較大差異，小尺寸矩形電極和半圓矩形組合電極會(huì)誘導(dǎo)離子注入劑量分布產(chǎn)生三個(gè)峰值和兩個(gè)谷值。對不同電極注入劑量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，長短邊整體注入劑量均勻性最高的是小尺寸矩形電極，局部注入劑量均勻性最高的是矩形半圓組合電極。通過比較不同形狀內(nèi)電極離子注入過程和結(jié)果得到適用于一般形狀電極的結(jié)論。

　　管狀零部件在精密機(jī)械、航天等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用，對其工作壽命和精度提出了較高的要求，因此通常要對管內(nèi)壁進(jìn)行精密表面處理。等離子體注入是一種優(yōu)質(zhì)有效的高精表面改性手段，對工件尺寸和表面粗糙度沒有影響，不存在膜基結(jié)合力的問題，并在一定程度上突破了傳統(tǒng)束線式離子注入的視線性限制，非常適合細(xì)長管的內(nèi)壁表面處理。

　　在細(xì)管內(nèi)表面的離子注入過程中，等離子體鞘層會(huì)發(fā)生重疊，使得離子注入的能量效率降低，有時(shí)注入離子的最大能量還不到施加電壓能量的37%。為提高能量利用率可采用內(nèi)電極鉗制管內(nèi)電勢，從而改變管內(nèi)電場，影響等離子鞘層的分布，最終使得注入能量得到提高。有研究表明內(nèi)電極的引入可使最高離子注入能量提高到?jīng)]有內(nèi)電極時(shí)的2.5倍。對半圓形容器球心放入圓球狀電極也會(huì)使離子注入能量得到提高。對于非圓形內(nèi)腔，內(nèi)電極的引入不僅影響注入能量，也會(huì)影響注入劑量。

　　矩形管在精密機(jī)械中也經(jīng)常使用，由于相鄰兩邊邊長的差異影響電勢分布以及等離子體鞘層擴(kuò)展，注入離子劑量分布較圓管、方管會(huì)更為復(fù)雜。因此本文利用Matlab軟件采用particle-in-cell(PIC)模型對矩形管等離子注入過程的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究。PIC模型折中了解析法的精確和流體模型的低運(yùn)算量，在保證對等離子模擬精度要求的同時(shí)，降低了較大離子數(shù)目模擬的計(jì)算要求，適用于內(nèi)管等離子體注入的模擬仿真。針對矩形管形狀的特殊性，本文PIC模擬仿真主要考察了內(nèi)電極形狀對等離子體鞘層擴(kuò)展和注入劑量分布的影響。

　　3、結(jié)論

　　應(yīng)用MATLAB軟件PIC模型對矩形管內(nèi)壁等離子體注入進(jìn)行數(shù)值仿真，研究了不同形狀輔助電極對離子注入劑量分布的影響。結(jié)果表明，圓電極、三角電極會(huì)誘導(dǎo)離子注入劑量呈現(xiàn)/M0形分布，使用I號(hào)矩形象形電極會(huì)導(dǎo)致長短邊離子注入劑量相差較大，II號(hào)小尺寸矩形電極、III號(hào)矩形半圓組合電極會(huì)誘導(dǎo)離子在長邊離子注入劑量分布出現(xiàn)3個(gè)峰值和2個(gè)谷值。對注入劑量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整體注入劑量均勻性最高的是II號(hào)矩形電極，局部注入劑量均勻性最高的是III號(hào)矩形電極。通過比較不同形狀內(nèi)電極離子注入結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn):¹注入離子來源為內(nèi)壁和電極之間空間內(nèi)的離子，離子注入劑量高低主要取決于該空間的大小;º陽極鞘層有逐漸擴(kuò)展為圓形的趨勢，當(dāng)內(nèi)電極尺寸較小時(shí)，最終注入結(jié)果與圓電極類似，電極形狀對離子注入劑量分布影響較小;»內(nèi)電極的尖角周圍會(huì)形成較強(qiáng)的電場，導(dǎo)致該處離子比其他位置的離子消耗更快，尖角過大會(huì)降低注入劑量的均勻性;¼內(nèi)壁最先與離子鞘層接觸的位置離子注入劑量偏小。這些結(jié)論適用于一般形狀電極，對于實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。