微空心陰極放電的數(shù)值仿真研究.pdf

1、微空心陰極放電是一種新型的放電形式，一般由任意形狀的陽(yáng)極和兩個(gè)相互平行的陰極構(gòu)成。它通過(guò)縮小空心陰極的尺寸到微米量級(jí)實(shí)現(xiàn)高氣壓甚至大氣壓放電，能夠在很低的維持電壓下產(chǎn)生高濃度的高能電子、強(qiáng)烈的陰極濺射、強(qiáng)烈的準(zhǔn)分子輻射和大量的紫外光譜，在材料表面改性、薄膜沉積、殺菌消毒、等離子體顯示、微型直流準(zhǔn)分子激光器和電熱式微推力器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
　　 高氣壓微放電產(chǎn)生的微等離子體由于放電體積小，等離子體密度高，對(duì)實(shí)驗(yàn)診斷儀器的尺寸和精度

2、要求很高，常規(guī)的等離子體診斷技術(shù)不容易實(shí)施，數(shù)值仿真成為研究放電演變規(guī)律的重要方法。常用的仿真模型包括蒙特卡羅模型、流體模型、動(dòng)力學(xué)模型、等效電路模型以及它們的混合模型。
　　 本文選用OOPIC Pro粒子模擬軟件研究了空心陰極類(lèi)結(jié)構(gòu)的初始放電過(guò)程和擴(kuò)展放電過(guò)程:首先再現(xiàn)空心陰極鞘層的形成過(guò)程和空心陰極效應(yīng)的建立過(guò)程，說(shuō)明空心陰極效應(yīng)的形成是虛陽(yáng)極移動(dòng)和擴(kuò)展的結(jié)果;然后再現(xiàn)等離子體區(qū)在微薄空心陰極外部的擴(kuò)展過(guò)程，說(shuō)明放電產(chǎn)生的

3、等離子體可能擴(kuò)散到陰極外部空間，微空心陰極放電的邊界主導(dǎo)效應(yīng)比空心陰極放電更明顯。
　　 采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)三維系綜蒙特卡羅模型，研究了當(dāng)氣體壓強(qiáng)和外加電壓保持不變時(shí)，不同陰極孔徑對(duì)氬氣微空心陰極放電的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致對(duì)陰極內(nèi)部放電增強(qiáng)的是負(fù)輝區(qū)的重疊和電子的振蕩，陰極孔徑大小是影響微空心陰極放電中空心陰極效應(yīng)發(fā)生程度的關(guān)鍵因素之一。在微空心陰極放電系統(tǒng)中加入外部磁場(chǎng)后，對(duì)陰極方向上的電子密度分布變化不大，軸向和側(cè)向上的電子漂

4、移范圍減小，電子能量向低能方向移動(dòng)，但是外加磁場(chǎng)對(duì)高氣壓微空心陰極放電的影響整體上不如對(duì)低氣壓放電的影響明顯。
　　 蒙特卡羅模型最主要的缺點(diǎn)是需要預(yù)先設(shè)定電場(chǎng)，而實(shí)際放電系統(tǒng)中的電場(chǎng)是隨時(shí)間不斷變化的，因此本文在系綜蒙特卡羅模型的基礎(chǔ)上加入泊松方程，建立了可以求解時(shí)變電場(chǎng)的自洽蒙特卡羅模型，既能夠完整地記錄帶電粒子的位置和能量，又能夠?qū)崿F(xiàn)自洽電場(chǎng)隨時(shí)間的變化。并使用該模型對(duì)矩形微空心陰極放電的初始放電過(guò)程進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，仿真結(jié)