微空心陰極放電的數值仿真研究.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極和兩個相互平行的陰極構成。它通過縮小空心陰極的尺寸到微米量級實現高氣壓甚至大氣壓放電，能夠在很低的維持電壓下產生高濃度的高能電子、強烈的陰極濺射、強烈的準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、微型直流準分子激光器和電熱式微推力器等領域應用廣泛。
　　 高氣壓微放電產生的微等離子體由于放電體積小，等離子體密度高，對實驗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不容易實施，數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、動力學模型、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結構的初始放電過程和擴展放電過程:首先再現空心陰極鞘層的形成過程和空心陰極效應的建立過程，說明空心陰極效應的形成是虛陽極移動和擴展的結果;然后再現等離子體區(qū)在微薄空心陰極外部的擴展過程，說明放電產生的

3、等離子體可能擴散到陰極外部空間，微空心陰極放電的邊界主導效應比空心陰極放電更明顯。
　　 采用C語言編程實現三維系綜蒙特卡羅模型，研究了當氣體壓強和外加電壓保持不變時，不同陰極孔徑對氬氣微空心陰極放電的影響，結果發(fā)現導致對陰極內部放電增強的是負輝區(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發(fā)生程度的關鍵因素之一。在微空心陰極放電系統(tǒng)中加入外部磁場后，對陰極方向上的電子密度分布變化不大，軸向和側向上的電子漂

4、移范圍減小，電子能量向低能方向移動，但是外加磁場對高氣壓微空心陰極放電的影響整體上不如對低氣壓放電的影響明顯。
　　 蒙特卡羅模型最主要的缺點是需要預先設定電場，而實際放電系統(tǒng)中的電場是隨時間不斷變化的，因此本文在系綜蒙特卡羅模型的基礎上加入泊松方程，建立了可以求解時變電場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，又能夠實現自洽電場隨時間的變化。并使用該模型對矩形微空心陰極放電的初始放電過程進行仿真和驗證，仿真結