四阳极直流辉光放电正柱区数值分析

分析了具有中间开窗电极四阳极直流辉光放电装置的氦气放电中阴极与较近阳极间放电正柱区的电子密度、电子温度和等离子体碰撞频率, 及其空间分布随放电气压变化规律。结果表明电子密度在径向上呈类似于抛物线的分布, 而碰撞频率和电子温度在整个放电管内近似均匀分布。探讨了不锈钢阳极座和矩形窗口对这些参数的影响, 为进一步进行装置仿真和实验研究提供参考。     

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     

固体氧化物燃料电池阳极微结构三维数值模拟

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效的发电设备,其电极微结构直接影响电池的电化学性能。本文通过X-ray技术获取了SOFC阳极微结构,将电荷和物质传导定义在体相材料,将电化学反应定义在三相边界线上,建立了SOFC阳极电化学–传质耦合的三维微观模型,对比了两个微结构在80?C条件下的极化特性。研究表明微结构对电极内部物理场分布有极大影响,越靠近电极电解质界面,活化极化和离子电势波动越强烈。电极孔隙相细小的喉附近存在较大传质阻力,形成明显浓度极化跳跃。活化极化和欧姆极化大小相当,各占据总损失的45%以上。本文模型可用于研究微结构改变引起的电池退化和电极的优化设计。     

圆柱形阳极层霍尔推进器磁极溅射数值模拟

通过对空心和实心内磁极的圆柱形阳极层霍尔推进器放电等离子体进行三维PIC放电-溅射模拟,分析了放电功率和阳极附近磁场等对磁极离子溅射的影响。结果表明,实心内磁极的推进器效率较高,在较高电压和高磁场的工况下,空心内磁极圆柱形阳极层霍尔推进器的刻蚀程度有明显减弱。在大功率圆柱形阳极层霍尔推进器设计和研发工作中,应考虑空心阴极效应的优点以及合适的电磁场配比。     

双辉光放电静电场数值模拟及场分布边角效应分析

根据双辉光放电3个电极极板上的电势,利用边界元积分方程建立以面电荷密度为未知量的离散方程,通过求解线性方程组计算3个电极极板上面电荷的不均匀分布.由极板上的不均匀面电荷分布计算在真空状态下空间任意一点的电势和电场的空间分布,利用数值解对真空状态下双辉光离子渗金属实验装置场分布边角效应进行了分析.     

增强辉光放电等离子体离子注入的三维PIC／MC模拟

采用三维粒子模拟／蒙特卡洛模型自洽地模拟了增强辉光放电等离子体离子注入过程中离子产生和注入,获得了放电空间的离子总数、电势分布、等离子体密度分布和离子入射剂量等信息．模拟结果表明,5μs时鞘层达到稳定扩展,15μs时离子的产生与注入达到平衡,证实了增强辉光放电等离子体离子注入能在一定条件下实现白持的辉光放电．注入过程中,在点状阳极正下方存在一个高密度的等离子体区域,证实了电子聚焦效应．除靶台边缘外,离子的注入速率稳定且入射剂量均匀．脉冲负偏压提高时注入速率增加但入射剂量的均匀性变差．     

氩直流辉光放电等离子体中电子运动及能量的模拟

采用自动调节时间步长的蒙特卡罗模拟,对平行板放电系统中的氩气直流辉光放电系统中的等离子体区内电子的运动过程进行了跟踪和抽样。统计结果表明:在我们的实验条件下,等离子体中的电子在电场作用下出现明显的轴向漂移;在40000次抽样中,出现能量为E的电子数目随能量E增大呈下降趋势,场强增大将引起能量分布展宽和电子平均能量增加;即使场强达到15V·cm-1,等离子体激发和电离仍是很少的;场强和气压都能明显改变电子的平均自由程。     

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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。     

PIC/MCC Simulation of Electron and Ion Currents to Spherical Langmuir Probe

The Particle In Cell/Monte Carlo Collisions (PIC/MCC) simulation was used for the calculation of electron and ion currents to a spherical Langmuir (electrostatic) probe. This simulation took into account the collisions of collected charged particles with neutral gas particles around the probe and it can calculate the probe currents at higher neutral gas pressures. The improvements of usual simulation techniques enabled to speed up the simulation and to calculate the probe current even for neutral gas pressures above 1 kPa. The simulations were carried out for two cases: i) probe with radius of 0.5 mm in non‐thermal plasma with high electron temperature, ii) probe with radius of 10 µm in afterglow plasma with low electron temperature. The influence of probe radius on electron probe current was also studied. The simulations showed that thick sheath limit of OML theory provides incorrect values of probe current for probes with radii larger than 200 µm at plasma parameters considered even at very low neutral gas pressures. The probe characteristics were calculated for probe with 0.5 mm radius for pressures up to 500 Pa and for probe with 10 μm radius for pressures up to 3 kPa. The influence of collisions on electron and ion probe current was demonstrated and the procedure for determination of electron and ion densities from the probe measurement at higher pressures was developed. The results from PIC/MCC simulations were compared with results from continuum theory. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

空心阴极类火花放电初始电离过程的PIC/MCC模拟

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法,应用静电模型,编写了准三维的模拟程序.该程序能够较好地描述空心阴极类火花放电初始电离过程的演化步骤.通过研究电离过程的细节,可以认为该阶段电离过程是空心阴极效应和局部强电场共同作用的结果.从起始电离到空心阴极初始阶段,局部强电场在电离过程中起到了支配作用;随后空心阴极效应占据主导地位. 关键词： 粒子模拟 蒙特卡罗 空心阴极 类火花放电     

气体压强及表面等离激元影响表面波等离子体电离发展过程的粒子模拟

基于表面等离激元 (SPP) 的表面波等离子体 (SWP) 源, 具有高密度、低温度及高产率等优异性能, 其应用在电子器件微纳加工、材料改性等领域. 但由于SPP激励SWP放电的电离过程难于用理论分析和实验测量描述, 因而SWP源均匀稳定产生的电离发展过程一直未研究清晰. 本文以SWP放电的数值模拟为研究手段, 采用等离子体与电磁波相互作用的粒子模拟 (PIC) 方法, 结合蒙特卡罗碰撞 (MCC) 方法处理碰撞效应的优势, 研究气体压强影响电离过程的电磁能量耦合机理. 模拟结果表明SWP的高效产生是SPP的局域增强电场致使, 气体压强能够改变波模共振转换的出现时刻而影响了SWP的电离发展过程. 本文的研究成果展示了SPP维持SWP放电的电离过程, 可为下一代米级SWP源的参数优化提供设计建议. 关键词： 表面波等离子体 表面等离激元 粒子模拟 电离过程     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅱ)——数值模拟与结果讨论

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法，应用电磁模型，编写了准三维的电子回旋共振(ECR)放电电离过程的模拟程序，得到了ECR放电过程中电子与离子的相空间分布、电磁场分布.通过对这些分布随时间演化的分析，得出ECR加热发生在ω≈ω_c0且垂直于轴向的区域；ECR区域，微波能量几乎全部耦合给电子，获得能量的电子通过与中性粒子的电离碰撞产生了大量的带电粒子；随着放电的进行，大量带电粒子通过频繁的碰撞，分布由各向异性逐渐趋于各向同性. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

Three-dimensional PIC/MCC simulation of electron deposition in JAEA 10 A ion sources

A systematic research on the electron deposition process in the JAEA 10 A ion source is carried out by using a particle-in-cell/Monte Carlo collision simulation, which is based on a full three-dimensional self-developed code. Two parts are studied. One is the space and energy distribution of fast and slow electrons, the other is the vibration excitation collisions between electrons and hydrogen moleculars. The results show that the inhomogeneity of electrons comes from the Y direction drift of the fast electrons(Te 25 eV) due to the action of the magnetic fields. This drift also increases the number of vibration excitation collisions in the-Y direction, and results in the increase of Hain the-Y direction,eventually leading to the-Y drift of H-. It explains the spatial non-uniformity in the JAEA 10 A ion source.     

大气压射频氧气放电特性的数值模拟研究

基于漂移扩散近似,对大气压下氧气射频放电产生的等离子体建立了一维流体模型,包括了电子、正离子和负离子的连续性方程、电子能量方程及泊松方程。采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽的数值模拟,得到了相应的数值结果。通过对所得数值结果的分析,研究了大气压下氧气放电的基本特性。研究表明,大气压氧气放电中等离子体密度可达到10¹²cm^-3 ,电子温度约在1.23eV,放电中主要的负离子是O^-离子;随着电压峰值的增加,电子密度、电子温度都增加,但n_O-/n_e 的比率先增加到7.5%又后减小到5%,在电压峰值为700V 时达到最大。     

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为了提高等离子体废物处理效率,根据磁流体动力学理论,利用计算流体力学软件FLUENT,采用磁矢量势的方法对直流双阳极非转移型电弧等离子体炬进行了二维轴对称数值模拟。计算中采用了SIMPLE算法。数值模拟得到了等离子体的温度、速度等分布。结果表明,等离子体的温度随着轴向距离的增加而减小,随弧电流增加而增加;其速度随着轴向距离的增加而先增大后减小,随弧电流增加而增加;等离子体炬出口处的温度和速度随着径向距离的增加而减小。这些结果与实验结果基本相符。