納秒脈衝氣體放電粒子模擬研究

《納秒脈衝氣體放電粒子模擬研究》是依託西安交通大學，由劉純亮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納秒脈衝氣體放電粒子模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉純亮
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

納秒脈衝氣體放電是重複頻率脈衝功率技術的重要基礎研究領域，其放電機理和理論描述是當前亟需解決的重要科學問題。粒子模擬作為第一性原理方法，適用於納秒脈衝氣體放電瞬態過程的數值模擬，但由於傳統數值模型對時間步長要求限制苛刻，難以直接套用到納秒脈衝氣體放電的研究。本項目首先通過建立氣體碰撞的新型蒙特卡洛模型和宏粒子合併模型，放寬氣體碰撞對時間步長的限制，提高計算效率，並研製出實用化的粒子模擬軟體；然後對納秒脈衝氣體放電的形成過程和氣壓、氣體成份、間隙結構、脈衝電壓、脈衝上升沿等對放電的影響規律進行模擬研究，對放電機理進行理論分析和解釋；最後對一種重複頻率多通道氣體開關的放電過程進行粒子模擬和實驗研究，並進行最佳化設計。本項目的研究成果對於揭示納秒脈衝氣體放電的微觀過程及放電機理、設計和最佳化納秒脈衝氣體開關具有重要的理論意義和實用價值。

結題摘要

納秒脈衝氣體放電是脈衝功率技術領域的重要研究課題，由於涉及納秒級瞬態過程、高氣壓、高電壓等問題，其中的放電機理和理論描述目前尚不十分清楚。粒子模擬是研究氣體放電瞬態過程和微觀機理的一種重要方法，但由於納秒脈衝放電的特殊性，現有的粒子模擬方法難以直接套用於納秒脈衝氣體放電的研究。本項目針對納秒脈衝氣體放電的特殊要求，對電子碰撞蒙特卡洛模型、氣體光電離模型和粒子合併模型進行了深入、系統的研究，提出了新的、或者改進的數值算法，對高氣壓和高電壓氣體放電的瞬態過程及其物理機理進行了粒子模擬研究，獲得了流注形成與發展、逃逸電子和流注分叉等物理現象的時空演變規律。提出了一種適用於高氣壓氣體放電粒子模擬的補償蒙特卡羅碰撞算法，在一個時間步長內考慮了多次碰撞，放寬了碰撞頻率對時間步長的限制，可在提高計算精度的同時，顯著提高計算效率。提出了一種光電離蒙特卡洛碰撞算法，對流注放電初期的粒子模擬表明，不考慮光電離時沒有流注形成，證實了光電離是流注形成和發展的主要物理機制，獲得了不同氣壓和電壓下流注的時空演變微觀過程。提出了一種基於相空間的四合二粒子合併算法，在粒子合併前後能夠保持動量守恆、能量守恆和相空間分布守恆，節點電荷守恆誤差隨著合併粒子數目的增加而減小，當參與合併的粒子數目很多時，誤差很小。對雷射觸發氣體開關放電初始階段進行了粒子模擬，獲得了不同氣壓和電壓下流注初始發展階段的時空演變規律，給出了電漿半徑和密度隨氣壓和電壓的變化關係，糾正了已有文獻中粒子模擬得到的電漿半徑和密度不隨氣壓變化的錯誤結論。對高電壓流注放電中的逃逸電子進行了粒子模擬，得到了逃逸電子的時空演變規律，從物理機制上解釋了逃逸電子在流注前方產生預電離是高電壓下流注擊穿時延很小的主要原因。對氮氣和氮氧混合氣體的流注分叉進行了粒子模擬，獲得了流注分叉的時空演變規律，在高氣壓時分叉的分支數增多，流注發展速度隨外加電壓增加而增大，模擬結果與實驗結果一致。實驗研究了N2氣、SF6-Ar混合氣體和SF6-N2混合氣體同軸氣體開關的多通道放電特性，獲得了多通道放電積分圖像和氣體成分、氣壓、電壓等參數對放電通道數的影響規律，粒子模擬得到了放電通道形成初期電子崩合併與抑制的物理圖像。本項目研究結果對於揭示納秒脈衝氣體放電的微觀過程及放電機理、設計和最佳化納秒脈衝氣體開關具有重要的理論意義和實用價值。