流體-亞穩(wěn)態(tài)原子傳輸混合模型模擬空心陰極放電特性*

何壽杰 哈 靜 劉志強(qiáng) 歐陽(yáng)吉庭 何 鋒

1)(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，保定 071002)

2)(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，保定 071001)

3)(北京理工大學(xué)物理學(xué)院，北京 100081)

(2012年10月9日收到;2012年11月20日收到修改稿)

1 引言

空心陰極放電由于具有高密度等離子體、高電流密度和低維持電壓等特點(diǎn)在光源、光探測(cè)器、光譜分析、材料處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3].但是空心陰極放電由于其特殊的空腔狀結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)于電極尺寸為微米量級(jí)的微空心陰極放電，諸多等離子體診斷技術(shù)并不適用，因此有必要借助于數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行研究.

流體模型由于計(jì)算時(shí)間短，同時(shí)能較好的反應(yīng)空心陰極放電的特性，已廣泛應(yīng)用于空心陰極放電的模擬研究中.Gu等[4]、施蕓城等[5]研究了管型空心陰極放電的放電特性.夏廣慶等[6]、Wang等[7]對(duì)三明治結(jié)構(gòu)空心陰極放電進(jìn)行了模擬研究.但是在以上的模擬研究中，只考慮了電子和離子的分布特性，并沒(méi)有考慮亞穩(wěn)態(tài)原子的時(shí)空演化特性.而在很多利用流體-蒙特卡羅模型對(duì)空心陰極放電進(jìn)行的模擬研究中同樣忽略了分步電離等對(duì)新電子產(chǎn)生的影響[8,9].但是亞穩(wěn)態(tài)原子是氣體放電反應(yīng)中一種重要的活性粒子，為了能夠更加準(zhǔn)確的反應(yīng)空心陰極放電的放電特性，有必要在放電模型中加入亞穩(wěn)態(tài)原子傳輸模型.

本文分別利用單一流體模型和流體-亞穩(wěn)態(tài)原子傳輸混合模型模擬了矩形空心陰極的放電特性;通過(guò)比較兩種模型模擬得到的電子密度以及電離反應(yīng)速率等，研究了亞穩(wěn)態(tài)原子對(duì)放電特性的影響.

2 放電結(jié)構(gòu)和模型描述

2.1 放電結(jié)構(gòu)

圖1為空心陰極放電結(jié)構(gòu)示意圖.放電單元由兩相互平行的陰極和兩相互平行的陽(yáng)極構(gòu)成陰極和陽(yáng)極材料假設(shè)為銅.相對(duì)陰極和相對(duì)陽(yáng)極間距均為0.1 cm.模擬的氣體環(huán)境為純的氬氣，氣壓P=10 Torr(1 Torr=1.33322×102Pa).陰極電勢(shì)假設(shè)為0 V，陽(yáng)極電勢(shì)假設(shè)為200 V.

圖1 矩形空心陰極放電單元截面圖

2.2 氣體放電模型

2.2.1 單一流體模型

流體模型方程組包括電子和離子連續(xù)性方程、電子平均能量方程和泊松方程.

電子的連續(xù)性方程為

其中ne，np和neεe分別為電子密度、離子密度和電子平均能量密度，εe=3/2kBT為電子平均能量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為電子溫度;Se，Sp和Sε分別為電子、離子和電子平均能量的源項(xiàng).Γe，Γp和Γεe分別為電子流密度、離子流密度和電子平均能量流密度，分別由遷移流和擴(kuò)散流組成.

其中Ksi和Kpi分別為分步電離速率系數(shù)和潘寧電離速率系數(shù);K2B，K3B和Kd分別為兩體碰撞速率系數(shù)、三體碰撞速率系數(shù)和解激發(fā)速率系數(shù).

邊界條件和數(shù)值計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[12].

2.3 放電的反應(yīng)過(guò)程

表1 放電反應(yīng)類型及反應(yīng)速率系數(shù)

圖2 反應(yīng)速率系數(shù)

3 模擬結(jié)果和討論

本節(jié)首先利用流體-亞穩(wěn)態(tài)原子混合模型(以下簡(jiǎn)稱混合模型)模擬得到了矩形空心陰極放電的放電參數(shù);然后對(duì)混合模型和單一流體模型模擬得到的放電特性進(jìn)行了比較，討論了亞穩(wěn)態(tài)原子對(duì)放電特性的影響.

3.1 放電的基本特性

圖3為陽(yáng)極電壓200 V時(shí)，電勢(shì)的二維分布圖.由圖可知放電區(qū)域明顯的分為兩部分：陰極鞘層區(qū)和負(fù)輝區(qū).其中陰極鞘層區(qū)位于兩側(cè)陰極附近，寬度大約為0.025 cm，這與利用陰極鞘層理論計(jì)算公式[16]得到的結(jié)果相符.極間電壓主要降落在陰極鞘層區(qū)，由陰極附近的0 V迅速上升到200 V.負(fù)輝區(qū)位于放電單元的中心區(qū)域，電勢(shì)降為5 V.從電勢(shì)分布圖可知，放電單元中心有一明顯的環(huán)狀等勢(shì)線，即兩個(gè)相對(duì)的陰極所形成的負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生了重疊，表明形成了空心陰極效應(yīng).

圖3 電勢(shì)分布圖

圖4(a)，(b)和(c)為電子、離子和亞穩(wěn)態(tài)原子密度二維分布圖.圖5同時(shí)給出了x=0.05 cm時(shí)，電子和離子沿y軸方向一維分布圖.由圖可知，整個(gè)放電空間亞穩(wěn)態(tài)原子密度要高于電子和離子密度.其中電子、離子和亞穩(wěn)態(tài)原子密度峰值均位于放電單元的中心區(qū)域.電子和離子密度峰值相等，為4.7×1012cm-3，亞穩(wěn)態(tài)原子密度峰值為2.1×1013cm-3，約為電子密度4.5倍.而由圖5可知，在陰極鞘層區(qū)離子密度遠(yuǎn)高于電子密度，具有明顯的陰極鞘層特性.

圖4 (a)電子(b)離子和(c)亞穩(wěn)態(tài)原子密度分布圖

圖6為電子平均能量分布圖.由圖可知，陰極鞘層區(qū)和負(fù)輝區(qū)中的電子平均能量存在很大差別.在陰極鞘層區(qū)，電子平均能量很高，達(dá)到20—32 eV.但在負(fù)輝區(qū)，電子平均能量很低，只有2 eV左右.

3.2 混合模型和單一流體模型放電特性的比較

如上所述，利用流體-亞穩(wěn)態(tài)原子混合模型模擬得到的結(jié)果比較好的反映了空心陰極放電的基本特性，與利用其他方法得到的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符[9,17].本文同時(shí)利用單一流體模型在與3.1相同的條件下對(duì)空心陰極放電進(jìn)行了模擬研究.并且對(duì)兩種模型模擬得到的電子密度和電離速率等參量進(jìn)行了比較，討論了亞穩(wěn)態(tài)原子對(duì)放電特性的影響.為了便于比較，下面以x=0.05 cm時(shí)各參量沿y軸方向一維分布為例.

圖5 電子和離子密度沿y軸分布圖(x=0.05 cm)

圖6 電子平均能量分布圖

圖 7(a)，(b)和 (c)為兩種模型模擬得到的x=0.05 cm時(shí)，沿y軸方向電子密度絕對(duì)值和電子密度比值分布圖.ne(f)和ne(h)分別表示單一流體模型和混合模型模擬得到的電子密度.由圖可知，利用混合模型得到的電子密度要高于單一流體模型得到的結(jié)果，且不同的放電區(qū)域電子密度差值不同.其中，陰極鞘層區(qū)差值為10%，負(fù)輝區(qū)處為17%;而最大差值出現(xiàn)在y=0.025 cm和y=0.075 cm處，為52%.另外，由圖7(b)可知，混合模型模擬得到的陰極鞘層寬度與單一流體模型相比減小.混合模型得到的電子密度要高于單一流體模型得到的結(jié)果是由于在電子的產(chǎn)生過(guò)程中考慮了分步電離和潘寧電離，如圖8所示.

圖7 兩種模型得到的電子密度絕對(duì)值 (a)整個(gè)放電區(qū)域;(b)陰極鞘層區(qū);(c)電子密度比值分布圖(x=0.05 cm)

圖8為混合模型得到的基態(tài)直接電離速率Si(h)、分步電離速率Stepwise(h)和潘寧電離速率Penning(h)沿y軸方向分布圖.由圖可知，在陰極鞘層區(qū)，分步電離和潘寧電離速率遠(yuǎn)低于基態(tài)直接電離速率.而由陰極鞘層區(qū)向負(fù)輝區(qū)方向，分步電離和潘寧電離速率逐漸接近基態(tài)直接電離速率.特別是在放電單元的中心區(qū)域，分步電離速率與基態(tài)直接電離速率峰值已經(jīng)處于同一量級(jí)，為1018cm-3·s-1，二者比值大約為 2：3.而潘寧電離速率也超過(guò)1017cm-3·s-1.因此分步電離和潘寧電離對(duì)于新電子的產(chǎn)生不可忽略.

圖9(a)為混合模型和單一流體模型模擬得到的總電離速率和基態(tài)直接電離速率分布圖.圖9(b)為兩種模型得到的總電離速率比值在陰極鞘層區(qū)的分布.由(10)和(13)式可知，對(duì)于單一流體模型，總電離速率即基態(tài)直接電離速率Si(f);對(duì)于混合模型，總電離速率St(h)為基態(tài)直接電離速率、分步電離速率和潘寧電離速率之和.對(duì)總電離速率，在陰極鞘層區(qū)，混合模型得到的結(jié)果略高，如圖9(b)所示;在負(fù)輝區(qū)，混合模型的結(jié)果明顯高于單一流體模型得到的結(jié)果.特別是在放電的中心區(qū)域y=0.05 cm 時(shí)，St(h)為 2.8×1018cm-3·s-1，而 Si(f)只有1.6×1018cm-3·s-1.因此如上所述，混合模型模擬得到的電子密度要高于單一流體模型的結(jié)果.但是對(duì)基態(tài)直接電離速率，在放電的中心區(qū)域，混合模型得到的值要小于流體模型的計(jì)算結(jié)果.這是由于混合模型計(jì)算得到的平均電子能量要低于單一流體模型計(jì)算得到的結(jié)果，如圖10所示.

圖8 不同類型電離反應(yīng)速率分布圖(x=0.05 cm)

圖10為兩種模型計(jì)算得到的電子平均能量比值分布圖.由圖中可知，在陰極鞘層區(qū)，兩種模型計(jì)算得到的電子平均能量基本相等;而在負(fù)輝區(qū)內(nèi)，特別是負(fù)輝區(qū)和陰極位降區(qū)交匯處，混合模型得到的電子平均能量明顯要低.由于在2—5 eV左右，基態(tài)直接電離速率系數(shù)Kgi隨著電子能量的降低呈指數(shù)衰減[12]，因此負(fù)輝區(qū)內(nèi)混合模型計(jì)算得到的直接電離速率要比流體模型計(jì)算結(jié)果低.

3.3 討論

如上所述，流體-亞穩(wěn)態(tài)原子傳輸混合模型和單一流體模型模擬得到的電子密度和電離速率等存在明顯的差別.由2.2節(jié)可知，兩種模型的區(qū)別在于混合模型中考慮了亞穩(wěn)態(tài)原子的時(shí)空分布特性，因此亞穩(wěn)態(tài)原子對(duì)于空心陰極放電參數(shù)具有重要影響.

圖9 x=0.05 cm時(shí)(a)總電離速率和基態(tài)直接電離速率和(b)鞘層區(qū)總電離速率比值分布圖

圖10 混合模型和流體模型的電子平均能量比值分布圖(x=0.05 cm)

在陰極鞘層區(qū)，一方面亞穩(wěn)態(tài)原子數(shù)密度nm遠(yuǎn)低于基態(tài)氬原子數(shù)密度N;另一方面該區(qū)域電子能量較高(20—32 eV)，具有很高的基態(tài)電離速率反應(yīng)系數(shù)Kgi，因此由(13)式可知分步電離和潘寧電離速率遠(yuǎn)低于基態(tài)直接電離速率，如圖8所示.由于分步電離和潘寧電離在陰極鞘層區(qū)對(duì)總電離速率影響很小，因此對(duì)該區(qū)電子平均能量和電子密度影響較小，如圖7和圖10所示.在負(fù)輝區(qū)，一方面亞穩(wěn)態(tài)原子密度遠(yuǎn)高于鞘層區(qū)密度;另一方面負(fù)輝區(qū)內(nèi)電子平均能量較低(2—3 eV)，而分步電離能量閾值要遠(yuǎn)低于直接電離和激發(fā)能量閾值.這樣負(fù)輝區(qū)內(nèi)發(fā)生分步電離反應(yīng)的概率遠(yuǎn)高于基態(tài)直接電離反應(yīng)，分步電離速率對(duì)總電離速率影響較大.同時(shí)由于分步電離會(huì)消耗部分電子能量，因此在混合模型中考慮分步電離反應(yīng)時(shí)計(jì)算得到的電子平均能量要低于單一流體模型計(jì)算得到的電子平均能量.

另外，如上所述，混合模型計(jì)算得到的陰極鞘層寬度要略小于單一流體模型計(jì)算得到的結(jié)果.這是由于雖然在靠近陰極邊界區(qū)域，分步電離所占比重很小，但是總的電離速率還是要高于單一流體模型得到的結(jié)果.因此在混合模型中，更容易在較短的距離內(nèi)形成自持放電，鞘層寬度減小，負(fù)輝區(qū)寬度增加.同時(shí)造成混合模型得到的結(jié)果與流體模型相比在x=0.025和x=0.075 cm附近電子密度顯著增加，電子平均能量顯著減小.

4 結(jié)論

利用流體-亞穩(wěn)態(tài)原子傳輸混合模型研究了矩形空心陰極放電的參數(shù)特性;同時(shí)與單一流體模型計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了比較.

1.混合模型計(jì)算結(jié)果：電勢(shì)降主要發(fā)生在陰極鞘層區(qū)，負(fù)輝區(qū)位降只為幾伏;亞穩(wěn)態(tài)原子密度峰值遠(yuǎn)高于電子和離子密度峰值;陰極鞘層區(qū)電子平均能量達(dá)到20—32 eV，而負(fù)輝區(qū)僅為幾eV.

2.與單一流體模型計(jì)算結(jié)果相比，混合模型模擬得到的電子平均能量、基態(tài)直接電離速率和陰極鞘層寬度降低，總的電離速率和電子密度升高.

3.分步電離速率和基態(tài)直接電離速率處于同一量級(jí)，對(duì)于新電子的產(chǎn)生具有重要貢獻(xiàn)，不可忽略.流體-亞穩(wěn)態(tài)原子傳輸混合模型可以更好的反應(yīng)空心陰極放電的特性.

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