真空中の絶縁破壊現象のParticle-In-Cellシミュレーション

摘要

真空ギャップ中における絶縁破壊の進展プロセスとその定量的な条件の解明のため，PIC-MCC法に基づき，電界電子放出，中性粒子の拡散，正イオンの生成，カソード近傍の電界強調，電界放出電子数の増加をシミュレートした。その結果，下記のことが明らかになった。１． 電界電子放出，中性粒子密度が一定の条件を満たすとき，正イオンの生成とカソードへの接近によるカソード表面の電界強調，電界電子放出の促進という正のフィードバックが生じる。同時に，電流が急増し，電子の軌跡はr方向に拡がる。２． エミッタ半径，エミッタ温度，電界強化係数とマクロ電界の積が大きいほど，また電界強化係数が小さいほど，電流増加が発生しやすく，電流増加が生じるまでの時間も短い。３． エミッタ半径が大きいほど，イオン化が発生し得る領域における中性粒子密度が大きくなる。そのため，正イオンの発生から電界放出の促進に至る正のフィードバックが生じやすくなる。４． 銅を仮定した本シミュレーションの条件においては，電流の増加が発生するためには，中性粒子を無視した状態で流れる電流が0.1 μAのオーダ以上であること，中心軸における線積分中性粒子密度が10~(17) /m~2のオーダ以上であることが必要である。