壓強對等離子體交叉場調(diào)制開關(guān)預電離工作過程的影響
依據(jù)直流輝光放電理論，考慮帶電粒子的連續(xù)性方程、泊松方程以及在電磁交叉場條件下的麥克斯韋方程組，利用數(shù)值模擬方法研究了壓強對等離子體交叉場調(diào)制開關(guān)(簡稱PCMS 管)中電子溫度、擊穿電壓、著火時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(jié)果與實驗測試結(jié)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，等離子體交叉場調(diào)制開關(guān)是基于直流輝光放電理論，在電場和磁場共同作用下產(chǎn)生等離子體，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的通導過程。
多年以來，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(shù)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行的研究。本文認為，放電器件內(nèi)的壓強，對整個放電過程也有著重要的影響，特別是系統(tǒng)內(nèi)的電子溫度、帶電粒子的遷移率、擴散系數(shù)、中性分子的電離率等描述等離子體的相關(guān)參數(shù)均與壓強有著十分重要的關(guān)系。為此，對系統(tǒng)內(nèi)壓強設置的研究，是對PCMS管研究優(yōu)化的一個重要側(cè)面。
考慮到開關(guān)器件研制的時間較長，經(jīng)濟負擔較大，所以，數(shù)值模擬方法的采用是積極有效的。目前，人們對數(shù)值模擬主要采用有限時域差分法，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，適用于多物理場耦合等優(yōu)點，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認為筆者選用有限元法來研究壓強對等離子體交叉場調(diào)制開關(guān)管放電過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調(diào)制開關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，從結(jié)構(gòu)上對該器件做了相應的優(yōu)化。最終確定的系統(tǒng)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，預電離狀態(tài)下氣體放電的穩(wěn)定過程。圖2 為PCMS 管陰極—源柵極的二維示意圖。其中，r 為對稱軸，左端為源柵極，右端是陰極，極間距離為8 mm，極板間充滿壓強為P 的氫氣，系統(tǒng)處于室溫狀態(tài)(300 K)。
圖6是不同壓強條件下，著火時間(實線)和穩(wěn)態(tài)(虛線)時電子濃度的分布情況。其中橫軸表示PCMS 管的軸向長度，縱軸表示電子密度分布。從圖中可以看出，隨著壓強的增大，穩(wěn)態(tài)時的電子密度不斷增加，達到著火時間時電子密度保持在0.5×1016 個/m3 以上，并且電子密度分布區(qū)域不斷向兩個絕緣壁增加。可以認為，由于壓強的增大，電子和中性分子碰撞次數(shù)隨之增加，磁場不斷的改變電子的運動方向，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(nèi)部的工作過程。針對以上模擬現(xiàn)象，以及對比不同壓強下PCMS 管的工作特性參數(shù)可以得出，首先，壓強過小會導致電離氣體產(chǎn)生的等離子體密度很低，系統(tǒng)不能滿足形成等離子體的閾值條件，如在模擬過程中，p<100 Pa時，電子密度趨近于0;同時，實驗發(fā)現(xiàn)，當U 氫為5.5 V 和5.8 V 時，裝置內(nèi)部對應的工作氣體壓強較低，因而陽—陰極放電電流較小，與之對應的是裝置內(nèi)部阻抗較大，與負載電路的匹配性不好。其次，壓強過大，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(nèi)真空度應選擇在133 Pa~200 Pa 之間為佳。
在其他參數(shù)不變的情況下，改變壓強的大小對PCMS 管特征參數(shù)變化有很大影響。通過模擬分析以及實驗驗證得出，在陰極—源柵極間距為8 mm，磁場大小約為0.06 T 時，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。并且電子溫度隨著壓強的增大以拋物線形式遞減，著火時間隨著壓強的增大呈冪指數(shù)形式遞減，陰極位降區(qū)域變化與壓強成反比關(guān)系。
