低温气体放电现象的数值研究

【摘要】：气体放电是一门古老又年轻的学科，它本身包含有丰富的非线性现象，近年来受到广泛的重视。本文在多组分流体层次上进行数值模拟计算，主要研究以下四个方面的问题： 1．气体放电中的各种等离子体鞘层。在数值研究中发现，表面电场变化敏感是引起阴极鞘层方程刚性较大的原因，而考虑符合实际情况的柱状阴极位形则可减小这种边界敏感性。热电子发射阴极鞘中既含有热电子又存在束电子，研究表明，这种新形式下的玻姆判据，要求从等离子体区进入鞘层的临界离子速度不仅仅要大于声速，而且随束电子所占成分增加而增大；而此时的朗谬尔判据，与经典情形相比较，离子流密度的最低阈值降低了，它不仅同电子流密度有关，还与鞘层形状及表面电场强度相关。数值模型还分别给出了阴极鞘以及电双鞘的表面电场强度随鞘层所加电压和鞘边界离子密度的变化关系：研究结果明确指出，形成电双鞘所需离子流密度阈值要较阴极鞘为低。在对阳极鞘的讨论中，我们给出了正电性与负电性两种不同阳极鞘的数值解，指出阳极鞘会因相异的放电装置与放电模式而颇有不同。 2．气体放电中的四种常见模式。本文系统地用流体模型，数值描述了气体放电中的四种常见模式，对每一种模式，都就具体的装置分析了电子和离子在不同区域的行为，讨论了电子与离子的产生与损耗这一对矛盾体，给出了气体放电性质随各种放电参数的变化，得到了相应的伏安曲线，揭示了相同放电电压导致不同放电电流的原因。在数值研究中，我们还辩识挑选出影响放电性质的重要因素，引入了两种相互独立的电子成分——束电子与热电子。并经过多次计算调试得知，束电子与热电子的密度之比是影响气体放电性质的一个重要参量。数值模型给出与实验相符合的结果，验证了本数值模型的合理性与准确性。这部分工作是本文的基础部分。 3．放电模式的相互转化。