壓強對等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)預電離工作過(guò)程的影響
依據直流輝光放電理論，考慮帶電粒子的連續性方程、泊松方程以及在電磁交叉場(chǎng)條件下的麥克斯韋方程組，利用數值模擬方法研究了壓強對等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱(chēng)PCMS 管)中電子溫度、擊穿電壓、著(zhù)火時(shí)間以及電子密度分布的影響。得出了小型PCMS 管中壓強設置的合理取值范圍，所得模擬結果與實(shí)驗測試結果一致。
作為一種新型的冷陰極等離子體脈沖功率放電器件，等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)是基于直流輝光放電理論，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生等離子體，從而實(shí)現系統的通導過(guò)程。
多年以來(lái)，人們對氣體放電的研究更多的傾向于對氦、氬等惰性氣體的研究，而研究中多數又是對陰極表面溫度的設定、陰極材料的選取、陰極幾何形狀的確定、二次電子的發(fā)射、電子溫度、電極間距等方面所進(jìn)行的研究。本文認為，放電器件內的壓強，對整個(gè)放電過(guò)程也有著(zhù)重要的影響，特別是系統內的電子溫度、帶電粒子的遷移率、擴散系數、中性分子的電離率等描述等離子體的相關(guān)參數均與壓強有著(zhù)十分重要的關(guān)系。為此，對系統內壓強設置的研究，是對PCMS管研究?jì)?yōu)化的一個(gè)重要側面。
考慮到開(kāi)關(guān)器件研制的時(shí)間較長(cháng)，經(jīng)濟負擔較大，所以，數值模擬方法的采用是積極有效的。目前，人們對數值模擬主要采用有限時(shí)域差分法，相對于該方法，有限元法具有能夠處理復雜的邊界條件，計算周期相對較短，適用于多物理場(chǎng)耦合等優(yōu)點(diǎn)，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為筆者選用有限元法來(lái)研究壓強對等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)管放電過(guò)程的模擬計算的方法是非常正確的。
模型的建立與模擬
參考前期對冷陰極交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)的實(shí)驗數據，從結構上對該器件做了相應的優(yōu)化。最終確定的系統電極間距如圖1 所示。本文討論的條件為陰極—源柵極相距8 mm時(shí)，預電離狀態(tài)下氣體放電的穩定過(guò)程。圖2 為PCMS 管陰極—源柵極的二維示意圖。其中，r 為對稱(chēng)軸，左端為源柵極，右端是陰極，極間距離為8 mm，極板間充滿(mǎn)壓強為P 的氫氣，系統處于室溫狀態(tài)(300 K)。
圖6是不同壓強條件下，著(zhù)火時(shí)間(實(shí)線(xiàn))和穩態(tài)(虛線(xiàn))時(shí)電子濃度的分布情況。其中橫軸表示PCMS 管的軸向長(cháng)度，縱軸表示電子密度分布。從圖中可以看出，隨著(zhù)壓強的增大，穩態(tài)時(shí)的電子密度不斷增加，達到著(zhù)火時(shí)間時(shí)電子密度保持在0.5×1016 個(gè)/m3 以上，并且電子密度分布區域不斷向兩個(gè)絕緣壁增加�？梢哉J為，由于壓強的增大，電子和中性分子碰撞次數隨之增加，磁場(chǎng)不斷的改變電子的運動(dòng)方向，對電子的約束能力減弱，從而電子密度分布范圍不斷向絕緣壁擴大，易發(fā)生絕緣壁的擊穿導通，從而影響器件內部的工作過(guò)程。針對以上模擬現象，以及對比不同壓強下PCMS 管的工作特性參數可以得出，首先，壓強過(guò)小會(huì )導致電離氣體產(chǎn)生的等離子體密度很低，系統不能滿(mǎn)足形成等離子體的閾值條件，如在模擬過(guò)程中，p<100 Pa時(shí)，電子密度趨近于0;同時(shí)，實(shí)驗發(fā)現，當U 氫為5.5 V 和5.8 V 時(shí)，裝置內部對應的工作氣體壓強較低，因而陽(yáng)—陰極放電電流較小，與之對應的是裝置內部阻抗較大，與負載電路的匹配性不好。其次，壓強過(guò)大，電子密度分布范圍較寬，易導致絕緣壁的擊穿導通。因此，綜和考慮各種因素認為，PCMS 管內真空度應選擇在133 Pa~200 Pa 之間為佳。
在其他參數不變的情況下，改變壓強的大小對PCMS 管特征參數變化有很大影響。通過(guò)模擬分析以及實(shí)驗驗證得出，在陰極—源柵極間距為8 mm，磁場(chǎng)大小約為0.06 T 時(shí)，PCMS 管壓強的工作范圍在133 Pa~200 Pa 之間，擊穿電壓范圍為400 V~700 V。并且電子溫度隨著(zhù)壓強的增大以?huà)佄锞�(xiàn)形式遞減，著(zhù)火時(shí)間隨著(zhù)壓強的增大呈冪指數形式遞減，陰極位降區域變化與壓強成反比關(guān)系。
