成人免费看黄网站无遮挡,caowo999,se94se欧美综合色,a级精品九九九大片免费看,欧美首页,波多野结衣一二三级,日韩亚洲欧美综合

略談等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)的相關(guān)磁場(chǎng)模擬工學(xué)論文

時(shí)間:2022-09-04 04:39:56 論文 我要投稿
  • 相關(guān)推薦

略談等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)的相關(guān)磁場(chǎng)模擬工學(xué)論文

  摘要:等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱(chēng)PCMS管)采用外加磁場(chǎng)的設計,基于冷陰極潘寧放電原理產(chǎn)生等離子體。本文應用基于有限元法的多物理場(chǎng)仿真模擬軟件Comsol 4.0對PCMS管器件模型進(jìn)行二維建模;同時(shí),建立了電子在磁場(chǎng)作用下的漂移擴散模型;分別對磁場(chǎng)大小以及磁場(chǎng)區域的變化進(jìn)行了模擬計算,重點(diǎn)討論磁場(chǎng)的引入對電子密度分布的影響,從而確定磁場(chǎng)的最佳設置。

略談等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)的相關(guān)磁場(chǎng)模擬工學(xué)論文

  關(guān)鍵詞:等離子體開(kāi)關(guān);磁場(chǎng)模擬;潘寧放電

  等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)(Plasma dischargecrossatron modulator switches,簡(jiǎn)稱(chēng)PCMS管),是一種新型冷陰極等離子體器件。其設計是以氣體放電的相關(guān)理論為基礎,在各電極滿(mǎn)足的必要條件下,合理的設置磁場(chǎng),依據等離子體的相關(guān)性質(zhì),實(shí)現對脈沖電流的通斷控制[1~2]。

  PCMS管在許多方面特別是等離子體的產(chǎn)生方面相比其他傳統等離子體開(kāi)關(guān)器件有很大改善[3~4]。

  PCMS管為軸對稱(chēng),由陰極、源柵極、控制柵極和陽(yáng)極構成,其中兩柵極的功能是實(shí)現控制器件的通斷和預電離,另外有兩組永磁鋼環(huán)固定在陰極的外側,以幫助增大電子碰撞電離的概率,結構示意如圖1[5~6]。

  根據冷陰極潘寧放電原理[7],PCMS管的陽(yáng)極為一實(shí)心柱體,陰極的形狀為(圓柱面)。系統空間中殘存的電子、離子,在有磁場(chǎng)存在的情況下,產(chǎn)生輪滾線(xiàn)運動(dòng),電子運動(dòng)軌跡比較無(wú)磁場(chǎng)的情況大大延長(cháng),導致電子與中性氣體分子的碰撞幾率增大,使得這種結構在很低的氣壓下也能發(fā)生放電[7]。同時(shí),磁場(chǎng)對于電子的運動(dòng)有著(zhù)很強的約束作用,這可以有效的限制陰極濺射等不利于器件壽命的現象發(fā)生的程度。

  1理論分析與建模

  1.1引入磁場(chǎng)的理論依據在外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下,等離子體內的電子和離子將發(fā)生定向移動(dòng),帶電粒子流的密度可以用漂移擴散方程來(lái)描述,這里將先考慮電子,由于模型中離子采用其他方法來(lái)描述,本文不做討論。電子的漂移擴散方程如下:鄣ne鄣t+塄Гe=Re(1)Гe=-塄(Dene)-μeneE(2)其中,ne為電子密度,μe為電子的遷移率,E為電場(chǎng)強度,De為電子的擴散率,Re為電子產(chǎn)生率,準確的說(shuō)是凈產(chǎn)生率,其反應了電離與復合過(guò)程綜合作用的結果。Гe為電子的通量密度。

  一個(gè)電子在外加電場(chǎng)中運動(dòng),其行為表現為遷移和擴散,本文通過(guò)對遷移率和擴散系數的討論來(lái)研究磁場(chǎng)的加入對于電子運動(dòng)的影響。由動(dòng)量守恒方程的表達式: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為電子運動(dòng)的平均速度,m為電子質(zhì)量,n為電子密度,q為電子電量,E為電場(chǎng)強度,p為壓強,vm為碰撞頻率。

  遷移率:μ=qmvm(m2/V·s)(4)擴散系數:D=kTmvm(m2·s)(5)在本文的模型結構中,電子會(huì )在洛倫茲力的作用下,在垂直于系統對稱(chēng)軸即磁場(chǎng)的Z分量B=z贊B0方向的平面內做圓周運動(dòng),其回旋頻率為:ωc=qB0m(6)考慮本文所研究的模型為分布在一個(gè)長(cháng)的圓柱形器件內的等離子體,該圓柱的軸向就是磁場(chǎng)B=z贊B0(7)的方向。電子密度梯度的方向為徑向,垂直指向對稱(chēng)軸。電場(chǎng)方向與電子密度梯度方向一致。垂直方向的遷移率和擴散系數分別為[9]:μ⊥=μ1+(ωcτm)2(8)D⊥=D1+(ωcτm)2(9)其中,ωc為回旋頻率,τm為平均碰撞時(shí)間。

  在所建立的等離子體模型中,將之前確定的磁場(chǎng)函數B0代入,并根據在垂直方向上的遷移率和擴散系數對等離子體模型進(jìn)行設定,從而實(shí)現了電子在磁場(chǎng)作用下的漂移擴散方程的建模。

  1.2軟件建模及磁場(chǎng)的計算

  PCMS管的工作過(guò)程分為三部分:預電離,導通以及截止。預電離就是在器件導通之前,在源柵極上加一個(gè)觸發(fā)電壓,使得在兩個(gè)磁環(huán)疊加所產(chǎn)生的磁場(chǎng)最強的陰-柵間的區域先產(chǎn)生一個(gè)高密度等離子體區,其目的是使放電電流快速增長(cháng),實(shí)現PCMS管快速導通的能力。磁場(chǎng)對于PCMS管的工作過(guò)程有著(zhù)重要的影響,準確地講也就是在電磁交叉場(chǎng)和源柵極的共同工作下完成預電離過(guò)程。

  所以筆者建立了如圖2的二維二級系統(陰極和源柵極)的放電幾何模型。

  Fig.2 2-D model of the device源柵極電壓為500 V,陰極接地。磁場(chǎng)由兩個(gè)磁鋼環(huán)提供,設置圖2所示。通過(guò)Comsol4.0電磁場(chǎng)模塊模擬直流放電的電磁場(chǎng)問(wèn)題。得到Z方向的磁感應強度分布圖見(jiàn)圖1。

  最終將模擬得出的數據作為導出函數,以備在下一步的的模擬中調用。

  2模擬結果與分析

  基于上述在Comsol4.0中建立的器件模型,本文對磁場(chǎng)強度大小逐漸改變的過(guò)程,以及磁場(chǎng)區域的變化(磁鋼環(huán)的相對位置)情況進(jìn)行了模擬,筆者分別從器件中等離子體密度和等離子體的分布均勻度兩方面來(lái)觀(guān)察磁場(chǎng)對于器件預電離過(guò)程的影響。

  2.1磁場(chǎng)強度大小的改變對預電離過(guò)程中電子密度分布影響磁場(chǎng)的加入使得電子與中性分子的碰撞幾率大大增加,確定對應于當前模型的磁場(chǎng)強度的最佳值是首先要完成的工作。在兩磁鋼環(huán)閉合的情況下,磁感應強度最大處在兩磁鋼環(huán)接觸邊界處,分別設定其B=0.022,0.044.0.066,0.088(T),得到了一系列模擬結果圖,圖中,橫軸為源柵極與陰極間的距離,縱軸為電子密度大小,線(xiàn)狀圖中,各條曲線(xiàn)代表不同時(shí)刻的電子濃度分布情況。

  Fig.3 Radial distribution of electron density由圖3可以看出,隨著(zhù)磁場(chǎng)的增加,電子濃度逐漸增大。同時(shí),隨著(zhù)磁場(chǎng)強度的增大,電子濃度沿軸向的分布線(xiàn)度變小,即電子濃度在增大的同時(shí),電子向磁場(chǎng)強度最大的區域集中。一個(gè)電子在外加電場(chǎng)的驅動(dòng)下從陰極向陽(yáng)極運動(dòng),在運動(dòng)過(guò)程中,電子與器件內部的中性氣體分子將會(huì )發(fā)生碰撞。當這個(gè)電場(chǎng)足夠大時(shí),將會(huì )發(fā)生碰撞電離,電離出的新電子會(huì )繼續碰撞中性氣體分子發(fā)生碰撞電離,此過(guò)程重復連續發(fā)生,最終使得管子內部發(fā)生電子雪崩效應。在一定尺寸內,僅僅憑借電場(chǎng)的作用很難使得電子在較短的自由程內獲得足夠大的能量。因此,考慮在系統中引入磁場(chǎng)可以改變電子的運動(dòng)方向[8],增加電子的平均自由程,從而提高電子與中性分子的碰撞頻率。通過(guò)電磁場(chǎng)提供能量,這樣更易于發(fā)生碰撞電離,使得雪崩效應更容易發(fā)生。

  電子會(huì )在磁場(chǎng)的作用下圍繞一個(gè)導向中心做圓周運動(dòng),回旋半徑r=mvqB;而電子在電磁交叉場(chǎng)中運動(dòng)時(shí),電子的運動(dòng)為輪滾線(xiàn)運動(dòng),這個(gè)滾線(xiàn)運動(dòng),也就是導向中心在垂直于電磁場(chǎng)方向的漂移運動(dòng)和電子的圓周運動(dòng)之和(如圖4)?梢(jiàn),加入磁場(chǎng)后,電子的運動(dòng)距離大大增加,也就增加了其與中性粒子的碰撞幾率,使得由電離產(chǎn)生的二次電子增多,這必然使電子密度增加[9]。觀(guān)察器件內的磁場(chǎng)分布可以注意到,在沿著(zhù)電場(chǎng)的方向上,磁場(chǎng)強度B的分布存在梯度,由陰極向源柵極B逐漸減小;匦霃絩=mvqB與磁感強度B成反比,磁場(chǎng)越強,半徑越小,這樣一來(lái),在很強的磁場(chǎng)中,每個(gè)帶電粒子的運動(dòng)便被約束在一根磁感線(xiàn)附近很小的范圍內(如圖5),也就是說(shuō),帶電粒子回旋導向中心只能沿磁感線(xiàn)縱向移動(dòng),而不能越過(guò)它。只有當粒子發(fā)生碰撞時(shí),引導中心才能由一根磁感線(xiàn)跳到另一根磁感線(xiàn),即有碰撞存在時(shí),才會(huì )存在垂直于磁場(chǎng)且平行于電場(chǎng)方向的遷移和擴散運動(dòng),且它們會(huì )隨磁場(chǎng)強度的增加而減少。因此,強磁場(chǎng)可以使帶電粒子的輸運過(guò)程受到很大的限制[10]。模擬結果中,在加入磁場(chǎng)后,電子濃度開(kāi)始增加且向磁場(chǎng)最強的區域集中的現象就是磁場(chǎng)對于等離子體的約束作用的體現,也就是磁場(chǎng)將等離子體約束在了磁場(chǎng)強度較大的區域內。在磁場(chǎng)的約束作用下,器件中間位置形成了一個(gè)電子高密度區域,對于適當的磁場(chǎng)大小,將達到實(shí)現預電離的目的。

  離子基本不受磁場(chǎng)的約束,并在陰極電場(chǎng)的加速下以高能量轟擊陰極,將會(huì )發(fā)生陰極濺射。

  如果濺射強烈,濺射出的原子和電子會(huì )在器件內壁上鍍上一層金屬薄膜[11]。結合模擬結果,當磁場(chǎng)較小時(shí),其約束的等離子體范圍較大,電子濃度沿軸向的分布過(guò)寬,其濺射容易使電極上下邊界附近處的絕緣基座導通,器件燒毀。但磁場(chǎng)也絕非越大越好,由圖3可見(jiàn),當磁感強度B達到0.088T時(shí),所形成的電子通道寬度極窄,電子密度特別大,在這個(gè)小的區域內,正離子對陰極的轟擊的強度將會(huì )很高,濺射現象會(huì )極其強烈,這勢必不利于器件的壽命。

  所以,綜合模擬結果和分析,磁感應強度的最佳取值范圍為[0.05T~0.07T]。

  圖4電子在電磁交叉場(chǎng)中的滾線(xiàn)運動(dòng)圖5磁場(chǎng)對于電子運動(dòng)的約束2.2磁場(chǎng)區域的變化對電子濃度的影響通過(guò)模擬分析認為,磁場(chǎng)選定在0.05 T到0.07 T這個(gè)區間范圍內時(shí),PCMS管中的放電狀態(tài)最優(yōu)。因此,選用0.066 T這個(gè)磁感應強度來(lái)討論磁場(chǎng)區域的變化對放電過(guò)程的影響。

  考慮到磁環(huán)在器件中的位置,筆者分別做了磁鋼環(huán)分離間距2 mm,4 mm,6 mm,8 mm以及磁鋼環(huán)閉合狀態(tài)下的幾種磁場(chǎng)分布關(guān)系,通過(guò)計算得出穩態(tài)時(shí)電子密度分布圖如下。電子密度徑向分布圖中,橫軸為源柵極與陰極的間距,縱軸為電子密度大小;電子密度軸向分布圖中,橫軸為電子密度大小,縱軸為器件的軸向間距。

  由圖6可以看出,磁鋼環(huán)閉合與間距2 mm時(shí)的電子密度分布十分接近且最強,即該狀態(tài)下放電電流最大。電子高密度區域約束在電極軸向的中部,距柱面電極的上下邊界較遠,濺射的影響較弱。隨著(zhù)磁鋼環(huán)距離的增加,電子高密度區域的軸向寬度變寬,逐漸向源柵極和上下兩端擴散。結合之前的理論分析,隨著(zhù)磁鋼環(huán)間距的增大,磁場(chǎng)約束等離子體的區域逐漸在軸向延伸,靠近電極上下邊界的絕緣基座,伴隨著(zhù)濺射現象很容易降低器件壽命。所以,磁場(chǎng)對等離子體的約束區域應集中在器件中間部分,結合模擬結果,在不超過(guò)2 mm的間距時(shí)最佳。

  3實(shí)驗測試

  依據上述模擬結果,筆者對PCMS管的設置進(jìn)行了調整和測試。測試管結構如圖1所示。其中,陰,陽(yáng)極以及柵極材料均為鉬。氫存儲器中低溫狀態(tài)下為氫化鈦粉末,當溫度上升時(shí),氫氣逐漸釋放出來(lái)。管內壓強為100~133 Pa(≤1 torr),由氫存儲器的加熱電壓控制。磁鋼環(huán)材料為釤鈷,兩環(huán)接觸吸合位置表面的磁感應強度為0.06 T。

  測試工作主要是觀(guān)察在磁感應強度為0.06 T時(shí)管子是否能夠觸發(fā),同時(shí)進(jìn)行一些定性測試,包括測試控制柵極的單向導通性,測試磁場(chǎng)分布對真空VACUUM第48卷導通過(guò)程的影響等。

  筆者先做了源柵觸發(fā),發(fā)現在500~600 V之間時(shí)才發(fā)生放電,而控制柵極只需要450~500 V。

  由于控制柵距陰極比距源柵要遠,這樣的結果符合帕邢曲線(xiàn)的變化規律。放電結束時(shí),斷開(kāi)氫存儲器的加熱電源,管子內部仍有一部分氫氣存在,這時(shí)用兆歐表測試控柵-陰極電阻發(fā)現,正向時(shí)電阻大約為幾十兆歐,反向時(shí)電阻為無(wú)窮大,也即是說(shuō)該區域存在著(zhù)單向導通性。同時(shí),為了觀(guān)察磁場(chǎng)的分布對放電電流的影響,筆者分別作了以下實(shí)驗:磁鋼環(huán)吸合、磁鋼環(huán)分開(kāi);將磁環(huán)正對陰極放置、或者偏離陰極。得出的結論是:當磁鋼環(huán)正對陰極、且吸合或分開(kāi)2 mm時(shí)放電電流大,其他情況電流較小,基本與模擬結果一致。

  對PCMS管進(jìn)行觸發(fā)時(shí)出現了一個(gè)負電壓的現象,如圖7所示,對此我們進(jìn)行了一個(gè)初步的分析。觸發(fā)電壓大致為2000 V電壓及幾百毫安的電流。觸發(fā)電流只有幾十毫安,當觸發(fā)發(fā)生后,管子內部迅速形成了一個(gè)以電子遷移為主的電流;這個(gè)電流主要由二次電子碰撞電離而產(chǎn)生的電子構成,從極板上來(lái)看,陽(yáng)極電流是大量電子被吸附的效應,而陰極電流則是離子轟擊所產(chǎn)生的大量的二次電子的發(fā)射所發(fā)生的表現。根據基爾霍夫定律,陽(yáng)極和陰極上的電流應該相等,因此這個(gè)二次發(fā)射量不會(huì )太小?紤]到所提及的遲滯效應,勢必會(huì )伴隨這樣一個(gè)現象發(fā)生———電壓和電流無(wú)法同步達到極大。而管子內部既然發(fā)生觸發(fā),相當于存在一個(gè)電源,當外部電流提供的極大電流和極大電壓發(fā)生滯后時(shí),電壓剛過(guò)峰值,會(huì )導致外部電源提供的電流不夠,管子充當電源提供了一部分電流使得觸發(fā)電流剛達到峰值,因此可以看到控柵電壓出現一個(gè)回落現象。

  4結論

  在源柵極電壓為500 V,陰-柵間距為0.017 m的模型設定下,為了能快速穩定地完成器件的預電離過(guò)程,結合上述模擬結果與理論分析,可以得到如下結論:(1)磁感應強度最大值的最佳范圍為[0.05 T~0.07 T]。

  (2)在磁感應強度B=0.066T的條件下,磁鋼環(huán)間距取[0 mm~2 mm]為最佳值。

【略談等離子體交叉場(chǎng)調制開(kāi)關(guān)的相關(guān)磁場(chǎng)模擬工學(xué)論文】相關(guān)文章:

論文交叉評閱意見(jiàn)09-24

議論文的相關(guān)知識07-19

磁場(chǎng)的教案05-14

興趣相關(guān)的議論文素材02-02

電流的磁場(chǎng)教案04-05

電流的磁場(chǎng)教案05-14

略談學(xué)生該怎樣讀書(shū)04-25

試論工學(xué)結合課程教學(xué)效果的評價(jià)的論文07-27

關(guān)于校園體育場(chǎng)相關(guān)問(wèn)題的情況報告04-28