微空心阴极放电时空特性

为了揭示微空心阴极放电的放电机理,利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3×10~4Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明,整个放电过程分为四个阶段,即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应,阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量,而负辉区径向电场很弱,电子平均能量较低,电子和离子密度峰值出现在负辉区,二者数值基本相等,而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。     

N2微空心阴极放电特性及其阴极溅射的PIC/MC模拟

采用两维PIC/MCC模型模拟了氮气微空心阴极放电以及轰击离子 (N₂⁺,N⁺) 的钛阴极溅射. 主要计算了氮气微空心阴极放电离子 (N₂⁺,N⁺) 及溅射原子Ti的行为分布, 并研究了溅射Ti 原子的热化过程. 结果表明: 在模拟条件下, 空心阴极效应是负辉区叠加的电子震荡; 在对应条件下, 微空心较传统空心放电两种离子 (N₂⁺,N⁺) 密度均大两个量级, 两种离子的平均能量的分布及大小几乎相同; 在放电空间N⁺的密度约为N₂⁺的1/6, 最大能量约大2倍; 在不同参数 (P, T, V)下, 轰击阴极内表面的氮离子(N₂⁺,N⁺)的密度近似均匀, 其平均能量几乎相等; 从阴极溅射出的Ti原子的初始平均能量约6.8 eV, 离开阴极约0.15 mm处几乎完全被热化. 模拟结果为N₂微空心阴极放电等离子体特性的认识提供了参考依据. 关键词： 微空心阴极放电 PIC/MC模拟 2等离子体')" href="#">N₂等离子体     

微空心阴极维持放电的实验研究

为在高气压下形成大体积均匀等离子体,将微空心阴极放电(MHCD)作为等离子体阴极,引入另一阳极而设计为微空心阴极维持放电(MCSD)的发生装置.实验研究了MCSD的产生放电条件,通过在氩气中添加少量氮气,分析氮分子第一正带系发射光谱的方法测量了MCSD中羽流区不同位置的气体温度.研究表明,当等离子体阴极电流增加到一个临...     

介质阻挡放电点燃大气压直流均匀放电的光谱研究

由于大气压均匀放电等离子体在工业领域具有广泛的应用前景,为了获得大尺寸的大气压均匀等离子体,采用氩气作为工作气体,在大气压空气环境中利用同轴介质阻挡放电点燃了针-板电极间的大气隙(气隙宽度达到5 cm)直流均匀放电。研究发现,同轴介质阻挡放电能够有效降低针-板电极间的击穿电压。该均匀放电由等离子体柱、等离子体羽、阴极暗区和阴极辉区组成。其中等离子体柱和阴极辉区都是连续放电。而等离子体羽不同位置的放电是不同时的。事实上,等离子体羽放电是由从阴极向着等离子体柱移动的发光光层(即等离子体子弹)叠加而成。利用电学方法测量了放电的伏安特性曲线,发现其与低气压正常辉光放电类似,均具有负斜率。采集了放电的发射光谱,发现存在N₂第二正带系、氩原子和氧原子谱线。通过Boltzmann plot方法对放电等离子体电子激发温度进行了空间分辨测量,发现等离子体柱的电子激发温度比等离子体羽的电子激发温度低。通过分析放电机制,对以上现象进行了定性解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

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通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell(PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀情况。结果表明:随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研究

通过数值求解一维电子、离子连续性方程和动量方程，以及电流连续性方程，计算了氦气介 质阻挡大气压辉光放电电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布，以及放电电流密度和 绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化. 分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均 匀大气压辉光放电性质的影响. 当外加电压频率足够高时，大量离子被俘获在放电空间，空 间电荷场又引起足够多的电子滞留在放电空间. 这些种子电子使得在大气压下发生汤森放电 ，放电空间结构类似于低气压辉光放电，即存在明显的阴极位降区、负辉区、法拉第暗区和 等离子体正柱 关键词： 大气压辉光放电 介质阻挡 数值模拟 等离子体     

圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与实验研究

通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell (PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀
情况。结果表明：随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

微空心阴极放电的流体模型模拟

采用流体模型研究了微空心阴极放电(MHCD)的特点，对放电中电场的形成，电子和离子的密度分布，电子能量分布进行了数值模拟.该计算是针对高气压，圆筒形阴极结构下的He放电.结果表明放电中存在空心阴极效应，从电子能量分布可以看出，放电中存在高能电子，放电空间的电场分布主要表现为径向电场.此外，通过改变气压，阴极孔径等参数计算出它们对放电的影响.分析表明减小孔径有利于负辉区更充分的重合.提高气压将缩短阴极位降区. 关键词： 微空心阴极放电 流体模型     

针-板和针-水电极大气压直流辉光放电的光谱特性

利用光谱学方法,对针-水电极和针-板电极直流辉光放电特性进行了比较研究。结果发现两种装置产生的放电都有明显的分区现象, 从阴极到阳极分别为负辉区、阴极暗区、正柱区和阳极辉区。针-板电极放电中可以清晰地观测到阳极暗区, 而针-水电极放电阳极暗区不明显。对比两种放电的伏安特性曲线,发现放电电压均随电流增大而减小,但相同电流下针-水电极间的电压大于针-板电极间的电压。由于伏安特性具有负斜率,且放电电流密度介于10-5～10-4 A·cm-2,说明两种装置中的放电均处于正常辉光放电阶段。在正常辉光放电的范围内比较两种放电的发射光谱, 发现发射光谱中都包含N₂的第二正带系(含波长为337.1 nm的谱线)和N+₂的第一负带系(含波长为391.4 nm的谱线),但相对强度不同。利用光谱学方法对放电发射谱的谱线强度比I_391.4／I_337.1和振动温度进行了空间分辨测量,发现相同位置处针-水电极放电的谱线强度比要比针-板电极放电的大,并且相同位置处针-水电极放电的振动温度高。     

大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究

为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明：介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).     

Transition of Discharge Mode of a Local Hollow Cathode Discharge

The discharge characteristics of hollow cathode discharge in argon in a cylindrical cavity are investigated experi- mentally. The voltage-current （V - I） characteristics and the light emission are measured. It is found that the discharge plasma is localized inside the hollow cavity, with an extensive Faraday dark space between the cathode and the anode. The discharge develops from predischarge to abnormal glow discharge, the hollow cathode effect （HCE） and a hybrid mode as the discharge current increases. The onset of the HCE is found for the first time by the transition from abnormal glow discharge together with a significant decrease in the slope of the V - I curve which shows a positive differential resistivity. The voltage increases proportionally with the current when the HCE is reached.     

Study of the rectangular hollow cathode discharge

The rectangular hollow cathode discharge is studied with respect to the applicability of similarity mechanisms analogously to other gas discharge types. Probe characteristics of the discharge are measured, the conditions of steady and continuous discharge glow in the cathode cavity are determined.     

Non-local model of hollow cathode and glow discharge

A general form of the non-local equation for an ionization source in glow discharge and hollow cathode 3D-simulation is formulated. It is a fundamental equation in hollow cathode theory, which allows formulation of a complete set of field equations for a self-consistent problem in a stationary glow discharge and hollow cathode. It enables us to describe the region of negative glow and the hollow cathode effect and compare calculation results of electrical dependencies (pressure-voltage) with experimental data, – under conditions of gradual appearance of the hollow cathode effect.     

小型空心阴极等离子体电子枪实验

基于空心阴极效应和低压辉光放电原理,设计了一种小型空心阴极等离子体电子枪并进行了实验研究,在低气压下获得了稳定的空心阴极辉光放电,测量电子枪放电结果表明:在空心阴极中加入灯丝热子可明显降低放电气压;电子束电流的大小随放电电压增大而增大,受气体气压影响较小;在气压2Pa,放电电压10kV,脉宽4μs脉冲下放电,可得到脉宽为2μs,电流为600mA的电子束。     

电极构形对形成大面积放电均匀性影响

 设计并制作了空心阴极、钮扣阴极、针阴极和条形阴极，利用CCD照相，在5cm×5cm口径范围内，分别对四种阴极放电的空间均匀性进行了研究。实验表明，在预电离电压800V，主放电电压3kV和气体气压约30Pa的条件下，利用空心阴极放电，能够获得空间较为均匀的放电等离子体。放电等离子体可以用作普克尔盒电光开关的等离子体电极。     

高电流低气压等离子体阴极电子枪设计与实验

 设计了一种新型的高功率低气压等离子体电子枪。基于空心阴极效应和低压辉光放电原理与经验，确定了空心阴极、加速间隙、工作气压范围等。提出关于等离子体阴极电子枪产生高功率、高密度电子束源的整体方案。分别在连续馈气和脉冲馈气条件下进行实验测试，得到放电电流、收集极电流与气压、脉宽及调制器电压的关系。实验获得电子枪的典型放电电流为150~200 A，脉宽60 μs；传输电子束达到30~80 A，脉宽60 μs。该结果表明该新型等离子体阴极电子枪可以取代材料阴极作为大电流、长脉冲电子束源，特别适用于等离子体加载微波管。     

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采用蒙特卡罗模型对氮空心阴极放电等离子体鞘层离子(N2 、N )的输运过程进行了模拟研究,计算了阴极鞘层中氮离子(N2 、N )的能量及角分布的空间变化和粒子密度及平均能量随放电参数的变化规律。研究结果表明:空心阴极放电产生的氮离子,在鞘层输运过程中,N2 是密度几乎不变的低能粒子;N 是密度逐渐减少的高能粒子。随着电压增加,N 密度减小,平均能量增加;N2 密度和平均能量变化不明显。能量及入射角的相对分布规律与平板电极氮直流辉光放电基本类似,但圆筒空心阴极放电更有利于氮离子的产生。     

具有空心阴极放电特征的射频放电的两电子组模型

 运用两电子组模型，考虑了射频放电中的α过程和γ过程两种电离机制，并结合流体模型，研究了中等气压下窄电极间隙容性耦合射频放电在运行模式转变区的等离子体密度以及电离速率分布等特性。理论研究表明，γ电离过程在高电流模式运行中起主要作用，并证实了此类放电中存在显著的电子摆钟效应，具有类似于空心阴极放电的特征。     

空心针-板电极大气压氩气辉光放电的特性研究

大气压均匀放电等离子体在工业领域具有非常广泛的应用前景,它是利用直流电源激励的空心针-板放电装置,以氩气为工作气体在大气压空气中产生均匀稳定的放电。对氩气流量和气隙间距对辉光放电发光特性的关系进行了研究,结果表明放电所产生的等离子体柱连接两个电极,发光较为均匀(观察不到放电丝)。在板电极附近放电等离子体柱直径最大,最大直径随着电流和气流的增大而增大。放电伏安特性研究发现,与低气压辉光放电相类似,两电极间的电压随着电流的增大而减小,并且随气流和气隙间距的增大而增大。对该大气压直流均匀放电在扫描范围为330～450 nm的光学发射光谱进行分析,获得了放电等离子体的分子振动温度和谱线强度比I_391.4/I_337.1随氩气流量和气隙间距的变化关系。I_391.4/I_337.1均随流量和气隙间距的增大而降低。对等离子体柱的I_391.4/I_337.1沿气流方向(等离子体柱轴向)进行了空间分辨测量,并进行了定性分析,结果表明,振动温度及电子平均能量随着远离空心针口距离的增大而增大。这些结果对大气压辉光放电在工业中的应用具有重要意义。