棒-板电极下缩比气隙辉光放电相似性的仿真研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．9(2014)095206棒一板电极下缩比气隙辉光放电相似性的仿真研究术付洋洋罗海云邹晓兵王强王新新十(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084)(2013年11月13日收到；2014年1月16日收到修改稿)建立了棒一板电极下氩气直流放电的流体模型，利用有限元法对几何位形相似的两个气隙放电过程进行了数值求解．两放电气隙外加电压相同，气隙线性尺寸的比值为10：1，气压分别为1Torr和10Torr．仿真得到了两相似气隙的放电的伏安特性曲线以及放电物理量f如电位、电场、电子密度、离子密度、电子温

2、度等)的空间分布．根据气体放电相似性的基本结论，检验了气隙对应物理量之间的数值关系．结果表明：两相似气隙的放电类型为正常辉光放电，对应放电物理量之间存在相似性理论指出的比例关系，且在相同幅值的直流电压作用下，气隙放电的工作点相同．这将为利用气体放电相似性来外推相似气隙的放电特性提供一定的理论依据．关键词：放电相似性，辉光放电，棒一板电极，缩比气隙PACS：52．80．Hc，52．65．一y，51．50。+VDOI：10．7498／aps．63．095206Cleaning，GDC)[7,8]．GDC系统是ITER装置的重1引言要部件，主要功能就是利用辉光

3、放电方清除装置因暴露在大气中所吸附的N2，H2O，O2以及其他碳辉光放电是一种典型的非热平衡低温等离子氢化合物等杂质，为高约束性能等离子体提供清洁体，它在杀菌、刻蚀、表面处理等领域得到了广泛的的第一壁，提高核聚变效率．国内外一些大型装置应用It-a]．尽管人们对辉光放电的研究已经进行f如EAST等)的研究表明，利用辉光放电清洗聚变一百多年了，时至今日仍然有许多问题没有得到反应腔体可以取得良好效果，杂质残余量可以得到解决．例如，国际上正在进行的大型科学合作项目大大改善[9,10]．然而，对于ITER装置中的GDC系“国际热核聚变实验堆(Internatio

4、nalThermonu—统，由于反应腔体的设计限制，用于清洗的阳极只clearExperimentalReactor，ITER1计划”，就需要能使用几个面积有限的探头，整个被清洗的腔体内在较低气压下利用辉光放电产生等离子体对聚变壁作为放电阴极，要在放电位形如此不对称的装置腔体的真空壁进行处理，以清除装置内壁的杂质中实现大面积稳定的清洗效果，很多问题还有待研(如碳、氧等1，从而保证聚变等离子体的纯度以及究．同时，由于装置的惟一性以及其他同等装置的约束稳定性[4-s]．稀缺性，直接在反应腔体上进行实验研究受到诸多国际上利用辉光放电来清洗受控核聚变装置限制．总

5、而言之，在ITER这种巨形装置的内壁中内壁表面杂质已有几十年的历史，其基本过程是放实现可靠、稳定的大面积辉光放电清洗是一个难题．电产生的大量正离子在电场作用下向阴极f器壁)本文提出一种间接的研究方法，即根据气体放运动，利用高能离子轰击阴极表面，使得器壁吸附电相似性，利用缩比气隙的放电特性来外推原型机的杂质从器壁解析逸出并被真空机组抽出腔体，这的放电特性．气体放电的相似性理论在推导中主要种清洗方式被称为辉光放电清洗(GlowDischarge以电子碰撞电离为基础，忽略一些如逐级电离等次国家自然科学基金(批准号：51377095，51107067)、全国优博

6、论文专项资金(批准号：201336)和霍英东教育基金会(批准号2142019)资助的课题．十通讯作者．E—mail：wangxx@mail．tsinghua．edu．cn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．iphy．ac．c礼物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．9(2014)095206激发态粒子Ar三种粒子参与的反应过程．激发态量，为电子能量迁移率，D为电子能量扩散率．粒子Ar包括亚稳态和共振态，但二者的能级相近，放电气隙中，除电子外还有离子、亚稳态原子且容易相互转化，因此将二

7、者统一为亚稳态粒子等重粒子，其运动过程可以用重粒子运输方程描述Ar【15]．上述粒子的运动用连续性方程描述，包括：电子运输方程、电子能量运输方程和重离子运输方p+．J=(5)程[161171．=pWkVk，(6)电子运输方程为其中，P为混合气体密度，Wk为第k种粒子的质量+．，。：R。，(1)U分数，J为第种粒子的扩散质量通量，Rk为第F。=一凡。(。·)一D。·Vn。，(2)种粒子的反应源项．放电气隙的电位分布满足泊松方程【18]其中，n为电子密度，R。为电子产生和消失的反应源项，，。为电子通量，。为电子迁移率，为空￡0E。U=一e(ni—ne)，间电

8、位，D为电子扩散率．电子能量运输方程为其中，go为真空介电常数，E为气体相对介电