微波器件微放电阈值计算的快速单粒子蒙特卡罗方法

为了计算微波器件的微放电阈值,提出了一种快速单粒子蒙特卡罗方法.该方法对二次电子出射能量、出射角度和相位等参数进行随机处理,结合四阶龙格库塔法和Furman模型模拟了电子运动和二次电子发射系数,并以多次连续碰撞的二次电子发射系数的算数平均值作为微放电效应发生的判据.以平板传输线横电磁模式为研究对象,分别采用快速单粒子蒙特卡罗方法、统计模型、传统蒙特卡罗方法以及粒子模拟方法计算其微放电阈值和敏感区域.计算结果表明,该方法不仅具有与统计模型和粒子模拟方法相当的计算精度,而且比统计模型方法的适应性更强,比传统蒙特卡罗方法的稳定性更好,比粒子模拟方法的计算效率高几十倍以上.     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅰ)——物理模型与理论方法

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法对电子回旋共振(ECR)放电中的电离过程进行了模拟，其中带电粒子与微波的相互作用由PIC方法的电磁模型描述，粒子间的碰撞过程由MCC方法描述.考虑的碰撞类型有电子与中性粒子的弹性、激发、电离碰撞，离子与中性粒子的弹性、电荷交换碰撞，碰撞截面均依赖于能量而变化.阐述了理论分析的过程，为数值模拟ECR放电奠定了基础. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

蒙特卡罗模拟在辉光放电鞘层离子输运研究中的应用

利用蒙特卡罗方法模拟氩气直流辉光放电鞘层内离子的运动过程.模拟基于离子与中性原子的电荷转移和弹性散射两种主要的散射过程，考虑了碰撞截面与能量相关和不相关两种情况，在弹性散射中采用了势场相互作用模型和刚性球碰撞两种模型.通过模拟得到不同气压和不同放电电压下离子入射阴极的能量分布和角度分布，并对几种模型的模拟结果进行了比较和讨论. 关键词： 辉光放电 等离子体鞘层 蒙特卡罗模拟     

低气压感性耦合等离子体源模拟研究进展

感性耦合等离子体源具有放电气压低、等离子体密度高、装置结构简单等优点,因此常被用于材料刻蚀及表面处理工艺中.为了深入了解感性耦合等离子体的特性及其与表面的相互作用,数值模拟成为了目前人们普遍采用的研究手段之一.针对具体问题,可以选择不同的模拟方法,如整体模型、流体力学模型、流体力学/蒙特卡罗碰撞混合模型、偏压鞘层模型、粒子模拟/蒙特卡罗碰撞混合模型等.其中,整体模型计算效率最高,常被用于模拟复杂的反应性气体放电.但整体模型无法给出各物理量的空间分布,因此二维及三维的流体力学模型,也得到了人们的广泛关注.在低气压等极端的放电条件下,由于电子能量分布函数显著偏离麦氏分布,则需要耦合蒙特卡罗碰撞模型,来精确地描述等离子体内部的动理学行为.此外,通过耦合偏压鞘层模型,还可以自洽地模拟鞘层的瞬时振荡行为对等离子体特性的影响.对于等离子体中的非局域及非热平衡现象,则需要采用基于第一性原理的粒子模拟方法来描述.最后对目前感性耦合放电中的前沿问题进行了展望.     

微波器件微放电阈值计算的蒙特卡罗方法研究

为了精准快速地计算微波器件中微放电效应的阈值,在传统蒙特卡罗方法的基础上,提出了三种不同的蒙特卡罗方法,分别对二次电子的初始能量、出射角度和初始相位等参数进行随机,结合四阶龙格-库塔法和Furman模型计算电子的运动轨迹和单次碰撞产生的二次电子发射系数,然后应用不同的方法计算有效二次电子发射系数作为微放电效应的判据.以平板传输线TEM模式为研究对象,采用四种不同的蒙特卡罗方法计算微放电阈值,并与统计模型结果进行对比.结果表明单电子-多碰撞蒙特卡罗方法误差最小,而且稳定性最好.     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

 采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

ECR微波放电氩离子输运过程的研究

建立了电子回旋共振（ＥＣＲ）微波放电等离子体中离子输运过程的蒙特卡罗模型，考虑了离子与中性原子的电荷交换碰撞和弹性碰撞，以及精确依赖于离子能量的电荷交换和动量转移截面，模拟了源于氩气ＥＣＲ微波放电的氩离子向衬底输运的过程，得到与实验报道相符的模拟结果。     

�����Թ�ŵ����������̵�PIC/MCCģ��

采用粒子模拟与蒙特卡罗模型相结合(PIC/MCC)的方法,建立了氮分子气体辉光放电自洽的混合模型,其中带电粒子在电场中的运动及其产生的自洽场由PIC方法的静电模型描述,粒子间的碰撞过程由MC方法描述。模拟了放电过程及带电粒子(e、N2+、N+)在整个放电空间的行为及与之对应的自洽电场和电势的分布,通过计算带电粒子在负辉区的几率分布函数,讨论了带电粒子(e、N2+、N+)在负辉区的行为和分布特征。计算的分子离子密度与实验结果一致。     

混合模拟方法模拟电子在固体表面的背散射

将电子输运的直接模拟方法和压缩历史方法相结合,建立能量为50 eV~1 GeV范围的电子在介质中输运的混合模拟蒙特卡罗方法.通过调整散射角参数和损失能量参数控制单次碰撞发生的次数,输运过程中单次碰撞采用直接模拟,在两次直接碰撞之间使用压缩历史方法模拟发生的多次小碰撞过程.利用该方法模拟电子在固体表面的背散射过程,探讨不同计算参数对计算效率和结果的影响,计算不同能量电子在固体表面的背散射系数和出射电子能量分布,计算结果与实验数据符合较好.     

圆柱形阳极层霍尔等离子体加速器的质点网格方法模拟

对圆柱形阳极层霍尔加速器内的放电等离子体运用二维质点网格方法（particle in cell）进行数值模拟,用蒙特卡罗碰撞方法处理带电粒子与中性粒子之间的碰撞. 得到了放电通道内离子与电子的分布以及离子流的运动,并且对出口外侧的能量分布进行了统计. 结果发现圆柱形阳极层等离子体加速器的磁场对电子有明显的约束作用,电子集中于阳极附近很小的区域内. 由于电磁场的特殊分布,离子流呈现出双峰式的分布. 离子能量范围从放电电压的20%到接近放电电压,平均能量在放电电压的40%—50%之间. 关键词： 质点网格方法 蒙特卡罗碰撞 数值模拟 阳极层霍尔等离子体加速器     

库仑碰撞截面在等离子体粒子模拟中的应用

在等离子体粒子模拟中,TA模型和NanBu模型被广泛用于处理库仑碰撞,这两种模型要求每个时间步长内全部粒子参与计算。为了降低参与碰撞的粒子数,提高库仑碰撞的计算效率,提出了一种基于截面的库仑碰撞模拟方法,并给出了库仑碰撞概率的计算公式。采用该方法对不同温度不同密度电子气的弛豫过程进行模拟,分别对比了电子速度分布函数、电子温度以及电子x、y方向上的温度与电子温度之比的模拟值与理论值,验证了该方法的准确性。在相同的小时间步长上,该方法相比TA模型计算效率提升可达40%以上。对于较大的时间步长,该方法仍能得到与理论解近似的模拟结果,相比Nanbu模型,在相同的精度下可取更大的时间步长,计算效率也有所提升。研究表明,该方法同样适用于电子-离子碰撞。因此在提高库仑碰撞计算效率上,该方法具有碰撞粒子数少以及适用于大时间步长的优势。     

直流辉光等离子体阴极鞘层电子的输运过程

采用蒙特卡罗方法对氦直流辉光放电平板电极等离子体阴极鞘层内电子的输运过程进行了研究。利用实验数据拟合得到的电子与中性粒子的碰撞截面,计算了电子的平均能量及能量分布的空间变化,同时研究了电子的其它参数分布.     

Understanding the accuracy of Nanbu’s numerical Coulomb collision operator

We investigate the accuracy of and assumptions underlying the numerical binary Monte Carlo collision operator due to Nanbu [K. Nanbu, Phys. Rev. E 55 (1997) 4642]. The numerical experiments that resulted in the parameterization of the collision kernel used in Nanbu’s operator are argued to be an approximate realization of the Coulomb–Lorentz pitch-angle scattering process, for which an analytical solution for the collision kernel is available. It is demonstrated empirically that Nanbu’s collision operator quite accurately recovers the effects of Coulomb–Lorentz pitch-angle collisions, or processes that approximate these (such interspecies Coulomb collisions with very small mass ratio) even for very large values of the collisional time step. An investigation of the analytical solution shows that Nanbu’s parameterized kernel is highly accurate for small values of the normalized collision time step, but loses some of its accuracy for larger values of the time step. Careful numerical and analytical investigations are presented, which show that the time dependence of the relaxation of a temperature anisotropy by Coulomb–Lorentz collisions has a richer structure than previously thought, and is not accurately represented by an exponential decay with a single decay rate. Finally, a practical collision algorithm is proposed that for small-mass-ratio interspecies Coulomb collisions improves on the accuracy of Nanbu’s algorithm.     

Effect of collisions on spectral lines in gases

Collisions between an emitter and the surrounding buffer gas particles influence the emission lines. A collision may perturb the emitter in its excited and ground states, cause direct transitions between the levels, and at the same time, change the velocity of the emitter. In this paper, we present a model which deals for the first time with all these effects when they occursimultaneously in each collision. The model assumes the emitter to be subject to random collisions by the surrounding gas particles which are taken to constitute a heat bath in thermal equilibrium. The collisions are assumed to be binary, instantaneous, and to occur with a probabiity given by the Poisson distribution. These assumptions are shown to be equivalent to the widely used impact approximation in the collision broadening theory. We discuss several special cases of the general result for the line shape obtained in the paper.     

直流空心阴极放电中鞘层区电子的输运过程

采用蒙特－卡洛方法对空心阴极放电中鞘层区电子的输运过程进行了研究，电子在鞘层区被非均匀电场加速，两次碰撞之间的步长是由电子与中性粒子的碰撞频率确定。模型中三种碰撞截面积是由实验和理论数据拟合而来。研究了电子平均能量、电子密度和电离系数在径向的分布。电子能量的空间分布结果与实验很好地符合。 关键词：     

负氢离子源中电子能量沉积三维数值模拟研究

本文理论计算了多峰离子源永磁体, 采用二体碰撞模型(binary collision)处理电子之间的库仑碰撞, 采用空碰撞(null-collision)方法处理电子与氢元素相关粒子, 开发了全三维PIC-MCC模拟算法, 并利用该算法模拟了多峰离子源中电子沉积过程, 分析了多峰磁场对电子的空间和能量分布影响, 结果显示: 电子的非均匀分布起源于高能电子在引出区的B× ▽B漂移.     

Relaxation of Plasma Electrons towards Stationary States as Related to Different Initial Energy Distributions and for a Wide Range of the Final Electric Field Strength

Starting from former investigations concerning the collision dominated relaxation of the electron component in weakly ionized inert gas plasma we generalize the results obtained. Also in the present paper we use the same adaquate kinetic equation for the electron energy distribution function. On one side the influence of non-stationary, analytically given initial energy distributions on the relaxation behaviour and on the resulting adjustment time of stationary states was investigated. On the other side the calculation, especially of the adjustment time, was extended to a whole variety of final stationary states ranging from those determined only by energy loss due to elastic collisions to those determined only by exciting collisions. The adjustment time obtained varies by about four orders of magnitude within this wide range of final stationary states.     

碰撞对尘埃等离子体鞘层中尘埃颗粒影响

在一维平板鞘层中应用流体模型研究了尘埃等离子体鞘层中碰撞对尘埃颗粒密度和带电量的影响。 研究所涉及的碰撞主要有电离碰撞,电子、离子分别与中性粒子的碰撞,以及电子、离子分别与尘埃颗粒的碰撞。通过采用四阶龙格库塔法,得到了数值解。结果表明,随着电离碰撞或者电子、离子分别与中性粒子碰撞的频率 增加,都将导致鞘层中尘埃颗粒的数密度增大,数密度的极值位置向鞘边位置靠近,尘埃颗粒带电量增多。电子、离子与尘埃颗粒的碰撞,使得尘埃带电量减小。此外,从研究的结果来看,由离子产生的碰撞要比电子产生的碰 撞对尘埃颗粒的影响明显得多。     

��ײ�Գ������������ʲ��г�������Ӱ��

The fluid dynamics model was used to study the influence of the existence of the collisions on the dust particles in a dusty plasma sheath. The main collisions in this study consist of the ionization collision, the collision between electron and neutral particle, the collision between ion and neutral particle, the collision between electron and dust particle, the collision between ion and dust particle. Numerical calculation results are obtained by the fourth-order-Rung-Kutta method. It is shown that both the dust particles’ density and corresponding electricity quantity increase as the following collisions’ frequency enhances, such as ionization collision, the collision between electron and neutral particle, the collision between ion and neutral particle. The charge reduces due to the collisions concluding electron-dust particle and ion-dust particle. In addition, the effect produced by ions’ collision is much more obviously compared with electrons’ collision.     

Rayleigh-like distribution of particle transverse momenta in collisions at high energies

The transverse momentum distributions of final-state particles produced in collisions at high energies are studied by using a two-component Rayleigh-like distribution. This representation is based on Liu's multisource ideal gas model which describes protons and fragments in high energy nucleus-nucleus collisions. The calculated results are in good agreement with the experimental data of Au-Au, Cu-Cu, d-Au, and pp collisions at the relativistic heavy ion collider energies. The experimental particle momentum distributions of p-Be collisions at 6.4, 12.3, and 17.5 GeV/c, as well as Au-Au collisions at 1.5 AGeV are well described by a model based on a single Rayleigh-like distribution of particle transverse momenta.