高气压超短纳秒脉冲气体放电数值模拟

论文摘要

高气压大体积非平衡等离子体由于其现实及潜在的应用前景,已成为等离子体物理学所关注的研究热点。高压纳秒脉冲放电是产生大体积高气压非平衡等离子体的方式之一,因此在工业上具有非常好的应用前景。研究高气压纳秒脉冲放电,对于高气压下非平衡等离子体的产生、稳定及控制具有重要的实用价值及理论意义。本文首先介绍了大体积低气压非平衡等离子体的产生,而后介绍了高气压及大气压下大体积非平衡等离子体的产生与应用,阐述了高气压下气体辉光放电理论研究与数值模拟方法。纳秒脉冲气体辉光放电是人们最为关注的高气压下特别是大气压下的放电模式之一,利用这种放电模式可以得到大体积均匀非平衡等离子体。本文主要是从等离子粒子模拟模型出发,利用1d3v Particle-in-cell Monte Carlo Collision（PIC-MCC）模型并耦合了重整化与权重过程,对此进行了理论分析与数值模拟,讨论了高气压及大气压下超短脉冲惰性气体放电的时空演化行为。数值模拟结果表明,在惰性气体中所得到的气体放电特性的物理参量非常相似,由于剧烈的雪崩电离效应,等离子体密度急剧增长。观测到了高气压纳秒脉冲放电过程中的电场反向效应以及带电粒子密度的双峰分布,并给出了电子能量分布函数和离子能量分布函数随时间的演化。尤其观测了沿放电间隙的电子电流密度、离子电流密度以及位移电流密度随时间的演化分布情况,可以看出,沿放电间隙的总电流密度仅为时间的函数,而与空间位置无关。由模拟结果可以看出,利用高压纳秒脉冲气体放电可以获得大体积非平衡等离子体。此外,还讨论了当外加参数改变时对大气压纳秒脉冲放电的影响,其结果有助于对大气压放电进行控制,以便得到满足应用要求的均匀非平衡等离子体。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 高气压气体放电的理论基础
• 1.2 低气压非平衡等离子体
• 1.3 气体放电的稳定性
• 1.4 高气压大体积非平衡等离子体
• 1.5 高气压大体积等离子体的研究进展
• 2 高气压纳秒脉冲非平衡等离子体的数值计算方法
• 2.1 等离子体数值模拟方法综述
• 2.2 想高压纳秒脉冲雪崩电离功率的解析计算
• 2.3 漂移扩散近似下模拟高压纳秒脉冲放电的流体模型
• 2.4 前向-后向近似下模拟高压纳秒脉冲放电的动力学模型
• 2.5 模拟高压纳秒脉冲放电的PIC-MCC模型
• 2.5.1 PIC-MCC模拟方法要点
• 2.5.2 PIC-MCC模型的模拟维数
• 2.5.3 Monte Carlo碰撞过程
• 2.5.4 重整化与权重过程
• 3 PIC-MCC模拟高气压下纳秒脉冲气体放电
• 3.1 模拟初始条件
• 3.2 模拟结果与分析
• 4 PIC-MCC模拟大气压下纳秒脉冲气体放电
• 4.1 大气压下纳秒脉冲氩气辉光放电
• 4.1.1 模拟初始条件
• 4.1.2 模拟结果与分析
• 4.2 大气压下纳秒脉冲氦气辉光放电
• 4.2.1 模拟初始条件
• 4.2.2 模拟结果与分析
• 4.3 不同放电参数对大气压纳秒脉冲气体放电的影响
• 4.3.1 电极间距对放电的影响
• 4.3.2 脉冲电压幅值对放电的影响
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢