金属目标表面气体放电单元放电过程的PIC-MCC模拟

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1、!第"#卷!第"$期强激光与粒子束%&’("#，)&("$!!$**+年"$月,-.,/0123456235)7/538-942:25;67<=(，$**+!文章编号：!"**">?@$$（$**+）"$>$*#A>*?金属目标表面气体放电单元放电!过程的!"#$%##模拟屈马林，!王甲富（空军工程大学理学院数理系，西安A"**B"）!!摘!要：!对目标表面的浮地导体边界的存在及其对单元气体放电过程所产生的影响进行了研究，针对导体边界条件，应用高斯定理和电荷守恒定律推导出这种边界条件的数值处理方法，得到了有界等离子体空间电势的数值分

2、布。电场的数值计算表明，浮地导体的电势随着内部场的变化而变化，其大小介于两个电极的电势之间，对放电区域的电场分布产生较大的影响。对金属目标表面放电单元的放电过程的/-9>;99模拟结果表明，浮地导体的存在能够改变放电空间的电场结构，形成不均匀场，有利于气体的电离和等离子体区域的形成，同时将使虚阳极所形成的电势平台在边界附近下陷，导致等离子体壳层的厚度变小。!!关键词：!浮地导体边界；!/-9>;99模拟；!气体放电；!金属目标表面；!等离子体!!中图分类号：!0B@!!!!文献标识码：!5!!随着现代科学技术的飞速发展，气体放电器件

3、得到广泛应用。对其放电过程进行更细致、更全面的分析研究，对于开发新型电子器件和电子设备起着重要的作用。实际应用中的放电器件最终需要安置在具体设备上，这些设备表面与气体放电器件接触构成浮地导体边界，对放电过程产生不可忽视的影响。本文针对这一实际问题，结合/-9>;99方法研究金属目标表面作为一种特殊导体边界对单元气体放电过程的具体影响。&’!"#$%##粒子模拟方法简介［"］!!对于气体放电现象的数值模拟，一般采用流体方法和/-9方法。流体模型具有简单省时的优点，但却需要事先假定带电粒子的分布，不仅导致对实际物理过程的较大偏离，而且也

4、不便操作。/-9>;99粒子模拟方法，是在/-9粒子模拟技术的基础上附加;&CD<9EF’&碰撞模型（;99）构成的。对于难以用理论方法确定其等［$>@］离子体分布的实际问题，/-9>;99粒子模拟方法在应用上较流体方法更方便。本文利用这种方法，对金属目标表面所安置的气体放电单元的放电过程，进行动态物理模拟，所用程序包括电荷密度计算、场方程和运动方程求解、;&CD<9EF’&碰撞过程处理以及边界效应计算等模块。&(&’!"#粒子模拟技术!!/-9粒子模拟技术主要用于描述带电粒子之间的相互作用及其运动规律。在气体放电产生的等离子体中，

5、带电粒子之间的相互作用表现为集体相互作用，即通过与场的相互作用来实现。一方面场的变化受带电粒子运动的影响，由带电粒子的运动来产生；另一方面，带电粒子的运动要受到场的制约，由场的大小决定。/-9粒子模拟方法对带电粒子宏观运动规律的描述，正是通过逐一跟踪其在电磁场中的微观运动，并采用统计平均的方法得到其宏观规律。&()’%*+,-#./0*碰撞模型!!在/-9粒子模拟程序中附加;99方法，可以进一步根据有效地描写等离子体内部带电粒子与中性粒子之间的相互作用过程。这种相互作用表现为带电粒子和中性粒子所发生的各种随机的碰撞过程。具体步骤是：

6、实验得到的不同碰撞过程的散射截面计算时间步长!!内的碰撞的总几率和参与碰撞的总的粒子数；决定!!时间内各种碰撞过程的实际发生的总次数；决定参与碰撞的具体粒子及碰撞类型；计算碰撞后粒子的状态变化等。!!本文所考虑的碰撞过程有：电子与中性粒子之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞，离子与中性粒子之间!收稿日期：$**+>*+>*A；!!修订日期：$**+>*G>$G基金项目：陕西省自然科学基金资助课题（$**+5"+）作者简介：屈马林（"GB+—），男，陕西合阳人，教授，主要从事激光技术、红外技术及等离子体技术的研究。联系作者：王甲富（"G

7、#"—），男，山东聊城人，硕士研究生，主要从事等离子体技术及等离子体隐身的研究；HE&I"形成区域的浮地导体边界。图%为边界附近的差分网格。静电平衡时，导体内部的电场强度为零，表面附近结点的电场强度与导体表面处处垂直，由此

8、得&"，#’%(?)&"，#*%(?)&"’%(?，#)@（%）由A-400定理，对!>"，##［$，%］，有*!+!,!"*%(?，#&"*%(?，#)!-!+!,""，#’!+!,#"，#（?）!"#$%&’"(()*)+,"-.