低溫氣體放電現(xiàn)象的數(shù)值研究.pdf

1、氣體放電是一門古老又年輕的學(xué)科，它本身包含有豐富的非線性現(xiàn)象，近年來受到廣泛的重視。本文在多組分流體層次上進行數(shù)值模擬計算，主要研究以下四個方面的問題： 1.氣體放電中的各種等離子體鞘層。在數(shù)值研究中發(fā)現(xiàn)，表面電場變化敏感是引起陰極鞘層方程剛性較大的原因，而考慮符合實際情況的柱狀陰極位形則可減小這種邊界敏感性。熱電子發(fā)射陰極鞘中既含有熱電子又存在束電子，研究表明，這種新形式下的玻姆判據(jù)，要求從等離子體區(qū)進入鞘層的臨界離子速度不僅

2、僅要大于聲速，而且隨束電子所占成分增加而增大；而此時的朗謬爾判據(jù)，與經(jīng)典情形相比較，離子流密度的最低閾值降低了，它不僅同電子流密度有關(guān)，還與鞘層形狀及表面電場強度相關(guān)。數(shù)值模型還分別給出了陰極鞘以及電雙鞘的表面電場強度隨鞘層所加電壓和鞘邊界離子密度的變化關(guān)系；研究結(jié)果明確指出，形成電雙鞘所需離子流密度閾值要較陰極鞘為低。在對陽極鞘的討論中，我們給出了正電性與負電性兩種不同陽極鞘的數(shù)值解，指出陽極鞘會因相異的放電裝置與放電模式而頗有不同。

3、 2.氣體放電中的四種常見模式。本文系統(tǒng)地用流體模型，數(shù)值描述了氣體放電中的四種常見模式，對每一種模式，都就具體的裝置分析了電子和離子在不同區(qū)域的行為，討論了電子與離子的產(chǎn)生與損耗這一對矛盾體，給出了氣體放電性質(zhì)隨各種放電參數(shù)的變化，得到了相應(yīng)的伏安曲線，揭示了相同放電電壓導(dǎo)致不同放電電流的原因。在數(shù)值研究中，我們還辯識挑選出影響放電性質(zhì)的重要因素，引入了兩種相互獨立的電子成分——束電子與熱電子。并經(jīng)過多次計算調(diào)試得知，束電子與

4、熱電子的密度之比是影響氣體放電性質(zhì)的一個重要參量。數(shù)值模型給出與實驗相符合的結(jié)果，驗證了本數(shù)值模型的合理性與準(zhǔn)確性。這部分工作是本文的基礎(chǔ)部分。 3.放電模式的相互轉(zhuǎn)化。 ·文中給出了氣體擊穿的時序演化過程，并將之分為兩個階段，其一是虛陰極勢阱中積累部分離子，形成電位平緩的等離子體區(qū)，并逐漸向陽極擴張；其二是離子密度積累到一定程度，造成等離子體電位的抬升，最終降低虛陰極勢阱的深度，帶來電流的迅猛增長?？偨Y(jié)出氣體擊穿的關(guān)鍵

5、因素就是離子的生成與損失的競爭過程。理論分析給出了氣體擊穿的閾值電壓，它是中性氣體壓強與板間距乘積的平方項的函數(shù)。 ·通過討論陰極鞘層的穩(wěn)定性，由Vd-Ni曲線給出溫度限制模放電熄滅的臨界電壓。 ·通過探討朗謬爾模的穩(wěn)定性，得到了其至溫度限制模和陽極輝光模的突變閾值。透過多穩(wěn)表現(xiàn)形式不一的表象，指出其本質(zhì)均為各穩(wěn)態(tài)放電模式所決定，其復(fù)雜性僅在于各種放電模式穩(wěn)定區(qū)域的不同而已。 ·綜合模式轉(zhuǎn)化的四個突變閾值，本文首

6、次提出，四個突變閾值相互位置的變更就是形成多種多穩(wěn)結(jié)構(gòu)的根本原因，它會帶來雙穩(wěn)態(tài)、三穩(wěn)態(tài)以及雙雙穩(wěn)態(tài)這些各異的放電形式，從而合理、統(tǒng)一地解釋了多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，并與實驗相吻合。 ·將溫度限制模和朗謬爾模中表面電場強度隨離子密度的變化關(guān)系圖繪制在一起，可以得到一條S型曲線。研究指出，放電模式的突變現(xiàn)象正發(fā)生在該曲線的拐點處，拉近了唯象的突變理論與具體的物理實驗的距離。 4.低溫直流氣體放電中的四種自振蕩現(xiàn)象。本文首次在統(tǒng)一的高度

7、上，全面地研究了現(xiàn)有實驗中發(fā)現(xiàn)的四種自振蕩現(xiàn)象，合理地給出了相應(yīng)的物理解釋。研究結(jié)果表明，除了Ⅳ類自振蕩是由熱電子溫度驅(qū)動外，Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ類振蕩均同陰極鞘層的不穩(wěn)定性密切相關(guān)。文中指出，帶電粒子的產(chǎn)生與損失這一對矛盾，是激發(fā)自持振蕩出現(xiàn)的原因。Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ類振蕩均以類朗謬爾模為中間層，如：Ⅰ類振蕩是在類朗謬爾模與類溫度限制模間來回躍變；Ⅱ類振蕩是在類溫度限制模、類朗謬爾模以及類陽極輝光模間躍遷；Ⅲ類振蕩則是間于類朗謬爾模與類陽極輝光模之間的