PIC-MCC法模拟圆柱形朗缪尔探针鞘层区等离子体

论文摘要

对于低压、稳定等离子体的诊断,应用最多的仍然是探针法,其中以朗缪尔探针最为人们所熟悉。朗缪尔探针作为20世纪20年代出现的一种等离子体诊断方法及工具,具有设备简单,使用方便的特点,而且它的诊断能力也比较强,诊断得到的信息也比较丰富,适用的范围除主要在低温低压等离子体领域外还在逐渐扩大。朗缪尔探针设备简单的优点也带来了弊端,就是抗干扰性较差,采集数据的过程中很容易受到干扰。计算机的出现在世界范围内引起了科技革命,利用计算机技术进行复杂的数据处理已经成为一种趋势,数值模拟在科学研究中的地位和实用性已经凸显出来,关于朗缪尔探针的计算机数值模拟也在不断发展。本文以圆柱形朗缪尔探针为模型基础。建立一个PIC-MCC模型,将探针浸入Ar等离子体中,不考虑等离子体与预鞘层之间的“过渡层”,并且为了验证模型,将所得的低压Ar等离子体的模拟结果与Sternovsky等人的理论结果和实验结果进行比较。关于假设电子与离子的热能（温度）的比值问题和波尔兹曼电子分布也有所讨论。以往的学者都是采作传统的流体动力学模型或蒙特卡罗模型,这样在模型的建立上,就人为地增加了计算误差。与以往的研究不同之处是,本文采用PIC-MCC模型,用PIC法进行数值计算,用蒙特卡罗截面法处理碰撞过程,可以减小一些人为的误差,所以我们的模拟结果比理论分析更接近于实验研究的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 等离子体基础知识
• 1.1.1 等离子体的相关概念
• 1.1.2 等离子体的产生机理
• 1.1.3 等离子体的基本特点
• 1.1.4 等离子体的分类
• 1.1.5 等离子体的相关参数
• 1.1.6 等离子体技术的应用
• 1.2 等离子体诊断
• 1.2.1 等离子体诊断的意义
• 1.2.2 等离子体诊断的方法
• 1.3 等离子体的数值模型
• 1.3.1 流体动力学方法
• 1.3.2 蒙特卡罗（Monte-Carlo）方法
• 1.3.3 PIC方法
• 1.4 国内外的研究现状
• 1.5 本文的主要内容及安排
• 第2章 圆柱形朗缪尔探针等离子体鞘层的PIC—MCC模型
• 2.1 预备知识
• 2.1.1 探针的分类及简要说明
• 2.1.2 朗缪尔探针的诊断原理
• 2.1.3 PIC-MCC方法
• 2.2 朗缪尔探针等离子体鞘层的PIC-MCC模型结构
• 2.3 模型的数学物理方程
• 2.3.1 动力学方程
• 2.3.2 数值解法
• 第3章 模拟结果及讨论
• 3.1 探针半径为313μm的模拟结果
• 3.1.1 离子的运动轨迹
• 3.1.2 探针特性与浮动电位
• 3.1.3 鞘层厚度的变化
• 3.1.4 电荷密度分布
• 3.1.5 电荷热能的分布
• 3.2 探针半径为94μm的模拟结果
• 第4章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢