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等离子体交叉场调制开关的相关磁场模拟

时间:2011-09-15作者:王刚,刘竞业,高媛来源:中国论文库
字号:T|T

  摘要:等离子体交叉场调制开关(简称PCMS管)采用外加磁场的设计,基于冷阴极潘宁放电原理产生等离子体。本文应用基于有限元法的多物理场仿真模拟软件Comsol4.0对PCMS管

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  摘要:等离子体交叉场调制开关(简称PCMS管)采用外加磁场的设计,基于冷阴极潘宁放电原理产生等离子体。本文应用基于有限元法的多物理场仿真模拟软件Comsol 4.0对PCMS管器件模型进行二维建模;同时,建立了电子在磁场作用下的漂移扩散模型;分别对磁场大小以及磁场区域的变化进行了模拟计算,重点讨论磁场的引入对电子密度分布的影响,从而确定磁场的最佳设置。

  关键词:等离子体开关;磁场模拟;潘宁放电

  等离子体交叉场调制开关(Plasma dischargecrossatron modulator switches,简称PCMS管),是一种新型冷阴极等离子体器件。其设计是以气体放电的相关理论为基础,在各电极满足的必要条件下,合理的设置磁场,依据等离子体的相关性质,实现对脉冲电流的通断控制[1~2]。

  PCMS管在许多方面特别是等离子体的产生方面相比其他传统等离子体开关器件有很大改善[3~4]。

  PCMS管为轴对称,由阴极、源栅极、控制栅极和阳极构成,其中两栅极的功能是实现控制器件的通断和预电离,另外有两组永磁钢环固定在阴极的外侧,以帮助增大电子碰撞电离的概率,结构示意如图1[5~6]。

  根据冷阴极潘宁放电原理[7],PCMS管的阳极为一实心柱体,阴极的形状为(圆柱面)。系统空间中残存的电子、离子,在有磁场存在的情况下,产生轮滚线运动,电子运动轨迹比较无磁场的情况大大延长,导致电子与中性气体分子的碰撞几率增大,使得这种结构在很低的气压下也能发生放电[7]。同时,磁场对于电子的运动有着很强的约束作用,这可以有效的限制阴极溅射等不利于器件寿命的现象发生的程度。

  1理论分析与建模

  1.1引入磁场的理论依据在外加电场和磁场的作用下,等离子体内的电子和离子将发生定向移动,带电粒子流的密度可以用漂移扩散方程来描述,这里将先考虑电子,由于模型中离子采用其他方法来描述,本文不做讨论。电子的漂移扩散方程如下:鄣ne鄣t+塄Гe=Re(1)Гe=-塄(Dene)-μeneE(2)其中,ne为电子密度,μe为电子的迁移率,E为电场强度,De为电子的扩散率,Re为电子产生率,准确的说是净产生率,其反应了电离与复合过程综合作用的结果。Гe为电子的通量密度。

  一个电子在外加电场中运动,其行为表现为迁移和扩散,本文通过对迁移率和扩散系数的讨论来研究磁场的加入对于电子运动的影响。由动量守恒方程的表达式:mn鄣u軋鄣t+軋u軋·塄軋u軋軋軋=qnE軑-塄p-mnvmu軋(3)其中,u为电子运动的平均速度,m为电子质量,n为电子密度,q为电子电量,E为电场强度,p为压强,vm为碰撞频率。

  迁移率:μ=

  qmvm(m2/V·s)(4)扩散系数:D=kTmvm(m2·s)(5)在本文的模型结构中,电子会在洛伦兹力的作用下,在垂直于系统对称轴即磁场的Z分量B=z赞B0方向的平面内做圆周运动,其回旋频率为:ωc=qB0m(6)考虑本文所研究的模型为分布在一个长的圆柱形器件内的等离子体,该圆柱的轴向就是磁场B=z赞B0(7)的方向。电子密度梯度的方向为径向,垂直指向对称轴。电场方向与电子密度梯度方向一致。垂直方向的迁移率和扩散系数分别为[9]:μ⊥=μ1+(ωcτm)2(8)D⊥=D1+(ωcτm)2(9)其中,ωc为回旋频率,τm为平均碰撞时间。

  在所建立的等离子体模型中,将之前确定的磁场函数B0代入,并根据在垂直方向上的迁移率和扩散系数对等离子体模型进行设定,从而实现了电子在磁场作用下的漂移扩散方程的建模。

  1.2软件建模及磁场的计算

  PCMS管的工作过程分为三部分:预电离,导通以及截止。预电离就是在器件导通之前,在源栅极上加一个触发电压,使得在两个磁环叠加所产生的磁场最强的阴-栅间的区域先产生一个高密度等离子体区,其目的是使放电电流快速增长,实现PCMS管快速导通的能力。磁场对于PCMS管的工作过程有着重要的影响,准确地讲也就是在电磁交叉场和源栅极的共同工作下完成预电离过程。

  所以笔者建立了如图2的二维二级系统(阴极和源栅极)的放电几何模型。

  图2二维器件模型

  Fig.2 2-D model of the device源栅极电压为500 V,阴极接地。磁场由两个磁钢环提供,设置图2所示。通过Comsol4.0电磁场模块模拟直流放电的电磁场问题。得到Z方向的磁感应强度分布图见图1。

  最终将模拟得出的数据作为导出函数,以备在下一步的的模拟中调用。

  2模拟结果与分析

  基于上述在Comsol4.0中建立的器件模型,本文对磁场强度大小逐渐改变的过程,以及磁场区域的变化(磁钢环的相对位置)情况进行了模拟,笔者分别从器件中等离子体密度和等离子体的分布均匀度两方面来观察磁场对于器件预电离过程的影响。

  2.1磁场强度大小的改变对预电离过程中电子密度分布影响磁场的加入使得电子与中性分子的碰撞几率大大增加,确定对应于当前模型的磁场强度的最佳值是首先要完成的工作。在两磁钢环闭合的情况下,磁感应强度最大处在两磁钢环接触边界处,分别设定其B=0.022,0.044.0.066,0.088(T),得到了一系列模拟结果图,图中,横轴为源栅极与阴极间的距离,纵轴为电子密度大小,线状图中,各条曲线代表不同时刻的电子浓度分布情况。

  图3电子浓度径向分布图

  Fig.3 Radial distribution of electron density由图3可以看出,随着磁场的增加,电子浓度逐渐增大。同时,随着磁场强度的增大,电子浓度沿轴向的分布线度变小,即电子浓度在增大的同时,电子向磁场强度最大的区域集中。一个电子在外加电场的驱动下从阴极向阳极运动,在运动过程中,电子与器件内部的中性气体分子将会发生碰撞。当这个电场足够大时,将会发生碰撞电离,电离出的新电子会继续碰撞中性气体分子发生碰撞电离,此过程重复连续发生,最终使得管子内部发生电子雪崩效应。在一定尺寸内,仅仅凭借电场的作用很难使得电子在较短的自由程内获得足够大的能量。因此,考虑在系统中引入磁场可以改变电子的运动方向[8],增加电子的平均自由程,从而提高电子与中性分子的碰撞频率。通过电磁场提供能量,这样更易于发生碰撞电离,使得雪崩效应更容易发生。转贴于中国论文库 http://www.lwkoo.com

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