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(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主要研究以下四個(gè)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(chǎng)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(shí)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(jìn)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(shí)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)陽極鞘的討論中，我們給出了正電性與負(fù)電性兩種不同陽極鞘的數(shù)值解，指出陽極鞘會(huì)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(duì)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(duì)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(shí)挑選出影響放電性質(zhì)的重要因素，引入了兩種相互獨(dú)立的電子成分——束電子與熱電子。并經(jīng)過多次計(jì)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(gè)重要參量。數(shù)值模型給出與實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果，驗(yàn)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(shí)序演化過程，并將之分為兩個(gè)階段，其一是虛陰極勢(shì)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(kuò)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(shì)阱的深度，帶來電流的迅猛增長。總結(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(jìng)爭(zhēng)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(qiáng)與板間距乘積的平方項(xiàng)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(gè)突變閾值，本文首

6、次提出，四個(gè)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(huì)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(shí)驗(yàn)相吻合。 ·將溫度限制模和朗謬爾模中表面電場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)處，拉近了唯象的突變理論與具體的物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(duì)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