picmcc方法及其在气体放电中的应用研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目PIC/MCC方法及其在气体放电中的应用研究学科专业等离子体物理学号201211040202作者姓名王辉辉指导教师蒙林教授万方数据万方数据分类号密级注1UDC学位论文PIC/MCC方法及其在气体放电中的应用研究（题名和副题名）王辉辉（作者姓名）指导教师蒙林教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别博士学科专业等离子体物理提交论文日期2016-03-

2、09论文答辩日期2016-05-24学位授予单位和日期电子科技大学2016年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。万方数据万方数据PIC/MCCMethodanditsApplicationsinGasDischargesADoctoralDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:PlasmaPhysicsAuthor:WangHuihuiSupervisor:Prof.MengLinSc

3、hool:SchoolofPhysicalElectronics万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机

4、构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日万方数据万方数据摘要摘要近年来，由于气体放电在生物医学、材料处理、热核聚变、环境净化、微波传输及等离子体推动器等各个前沿科学领域中的突出表现及潜力，受到各国学者的广泛关注。为了能更精确地预测并控制气体放电的特性，必须深入探讨其动理学性质。Particle-In-Cell/MonteCarlo

5、Collision(PIC/MCC)方法直接跟踪宏粒子，天然具有自洽准确反映各种粒子群体动理学性质的能力。特别是在气体放电领域，由于带电粒子群体通常偏离热平衡状态，导致其速度分布函数呈现非麦克斯韦分布的特性。此时，若继续采用传统的流体方法将带来较大的误差，而PIC/MCC方法则在此表现出其独特的优越性。尽管PIC/MCC方法的计算效率相对较低，但随着计算机性能的提高，近年来在基础研究及实际应用模拟中越来越多地开始采用PIC/MCC方法。本论文在深入研究物理特性的基础上，对传统的PIC/MCC方法进行了一定的改进。并结合相关动理学

6、理论，对气体放电中的物理特性，特别是其中电子、离子的非热平衡动理学性质，进行了较深入的粒子模拟及理论探索研究，并也针对一些实际应用进行了数值模拟研究。本论文研究工作主要包含以下几个方面：1.结合蒙特卡洛粒子模拟方法与相关动理学理论对空间均匀微波放电中的电子非热平衡性质进行了研究。以电子为研究对象，对蒙特卡洛粒子模拟方法进行了初步研究。并同时通过玻尔斯曼方程理论求解了微波放电中的电子能量分布函数，并与粒子模拟结果进行了相互验证，为本论文接下来的工作打下坚实基础。并对存在外加磁场时的电子能量分布函数及微波放电中的电子能量振荡特性进行

7、了理论及粒子模拟研究。同时，还对电子能量分布函数进行了近似解析求解。2.针对离子-原子散射碰撞，在国际上首次提出一种与实际微分碰撞截面相吻合且具有可操作性的蒙特卡洛碰撞方法，并采用其对气体放电中离子的非热平衡性质进行了研究。传统上离子-原子碰撞通常忽略极化势而只考虑理想的电荷交换碰撞，其在离子横向分布的计算上存在较大误差。本论文提出一种更精确的离子-原子碰撞模拟方法，采用了更贴近实际的散射微分碰撞截面，使横向分布的精确度得到了巨大提升。以离子迁移及横向扩散特性的理论及实验结果对该方法进行了验证。并采用该方法对离子的横向速度分布函

8、数、纵向速度分布函数、联合速度分布函数、及能量与角度分布函数进行了粒子模拟，并与实I万方数据摘要验结果进行了比较。3.对微波气体击穿的物理性质进行了PIC/MCC数值模拟及相关理论研究。从玻尔斯曼方程出发，对气体击穿中的电离率与电场阈值等击穿特性进行了理论计算。