压强对等离子体交叉场调制开关预电离工作过程的影响

　　依据直流辉光放电理论，考虑带电粒子的连续性方程、泊松方程以及在电磁交叉场条件下的麦克斯韦方程组，利用数值模拟方法研究了压强对等离子体交叉场调制开关(简称PCMS 管)中电子温度、击穿电压、着火时间以及电子密度分布的影响。得出了小型PCMS 管中压强设置的合理取值范围，所得模拟结果与实验测试结果一致。

　　作为一种新型的冷阴极等离子体脉冲功率放电器件，等离子体交叉场调制开关是基于直流辉光放电理论，在电场和磁场共同作用下产生等离子体，从而实现系统的通导过程。

　　多年以来，人们对气体放电的研究更多的倾向于对氦、氩等惰性气体的研究，而研究中多数又是对阴极表面温度的设定、阴极材料的选取、阴极几何形状的确定、二次电子的发射、电子温度、电极间距等方面所进行的研究。本文认为，放电器件内的压强，对整个放电过程也有着重要的影响，特别是系统内的电子温度、带电粒子的迁移率、扩散系数、中性分子的电离率等描述等离子体的相关参数均与压强有着十分重要的关系。为此，对系统内压强设置的研究，是对PCMS管研究优化的一个重要侧面。

　　考虑到开关器件研制的时间较长，经济负担较大，所以，数值模拟方法的采用是积极有效的。目前，人们对数值模拟主要采用有限时域差分法，相对于该方法，有限元法具有能够处理复杂的边界条件，计算周期相对较短，适用于多物理场耦合等优点，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为笔者选用有限元法来研究压强对等离子体交叉场调制开关管放电过程的模拟计算的方法是非常正确的。

模型的建立与模拟

　　参考前期对冷阴极交叉场调制开关的实验数据，从结构上对该器件做了相应的优化。最终确定的系统电极间距如图1 所示。本文讨论的条件为阴极—源栅极相距8 mm时，预电离状态下气体放电的稳定过程。图2 为PCMS 管阴极—源栅极的二维示意图。其中，r 为对称轴，左端为源栅极，右端是阴极，极间距离为8 mm，极板间充满压强为P 的氢气，系统处于室温状态(300 K)。

　　图6是不同压强条件下，着火时间(实线)和稳态(虚线)时电子浓度的分布情况。其中横轴表示PCMS 管的轴向长度，纵轴表示电子密度分布。从图中可以看出，随着压强的增大，稳态时的电子密度不断增加，达到着火时间时电子密度保持在0.5×10¹⁶ 个/m³ 以上，并且电子密度分布区域不断向两个绝缘壁增加。可以认为，由于压强的增大，电子和中性分子碰撞次数随之增加，磁场不断的改变电子的运动方向，对电子的约束能力减弱，从而电子密度分布范围不断向绝缘壁扩大，易发生绝缘壁的击穿导通，从而影响器件内部的工作过程。针对以上模拟现象，以及对比不同压强下PCMS 管的工作特性参数可以得出，首先，压强过小会导致电离气体产生的等离子体密度很低，系统不能满足形成等离子体的阈值条件，如在模拟过程中，p<100 Pa时，电子密度趋近于0;同时，实验发现，当U 氢为5.5 V 和5.8 V 时，装置内部对应的工作气体压强较低，因而阳—阴极放电电流较小，与之对应的是装置内部阻抗较大，与负载电路的匹配性不好。其次，压强过大，电子密度分布范围较宽，易导致绝缘壁的击穿导通。因此，综和考虑各种因素认为，PCMS 管内真空度应选择在133 Pa~200 Pa 之间为佳。

　　在其他参数不变的情况下，改变压强的大小对PCMS 管特征参数变化有很大影响。通过模拟分析以及实验验证得出，在阴极—源栅极间距为8 mm，磁场大小约为0.06 T 时，PCMS 管压强的工作范围在133 Pa~200 Pa 之间，击穿电压范围为400 V~700 V。并且电子温度随着压强的增大以抛物线形式递减，着火时间随着压强的增大呈幂指数形式递减，阴极位降区域变化与压强成反比关系。