基于PIC/MCC的微等离子体模型数据仿真

摘要

微等离子体放电特性，近年来受到国际上的广泛关注。由于放电空间尺寸很小，放电气体的压强接近大气压，微等离子体器件表现出不同于常规等离子体放电器件的特性。近年来作为一种新型放电发光器件受到国际上的广泛关注。然而，由于工艺条件的限制，微等离子器件的尺寸无法任意改变，同时在制作过程中的诸多因素都会影响到器件的一致性。为了深入了解器件放电过程中的细节，节省器件制作时间和排除器件制作的影响因素，因此数值仿真将发挥重要的作用。设定初始的放电介质条件下，研究不同外界加载电压、不同气压的改变，对放电介质内微等离子体的特性。使用到了UNIPIC放电系统，详细介绍了该系统的设计原理，放电过程的传统形式，以及它所具有的特点。以及微等离子体放电使用的PIC-MCC碰撞模型。
　　本研究发现：基于PIC-MCC的粒子模型，在350Torr大气压环境下，在不同的外界电压环境下，电子密度随着时间的变化，是先增加后减少的。在放电介质内，电子密度最大值随着电压的增加，出现的时间越来越快，产生的电子密度越来越大。但是在400V之后会出现一个相对稳定的时期，电子密度最大值出现的时间，不在变化，但是电子密度的数值越来越大，斜率能够达到360.19，变化趋势比较快。电子密度的变化，实质代表的是电流的变化。在整个电子密度随时间的变化过程中，可以看出在整个放电模拟过程中，存在着两次放电。在350Torr的大气压环境下，外界电压在240V是没有二次放电的。在其他电压下，出现的台阶平缓处是为二次放电做准备的。随着电压的增加，准备的时间在缩短，当达到400V是，趋于10ns，不会随着电压的增加而改变。在微等离子体的电子密度变化研究中，发现在放电介质内部，电子密度峰值时刻的分布情况。电子密度在放电介质中，电子密度的分布情况是，从阳极到阴极是先增加后减少的。在放电介质内部所占得面积，越来越大。在阳极附近，电子密度明显减少。在不同气压、不同电压下，水平电场E1、垂直电场E2初始值都不是0。垂直电场E2的变化范围明显要比水平电场E1大。随着加载电压的增加，水平电场E1、垂直电场E2电场开始变化的时间都趋于10ns;最大值出现的时间都趋于20ns。电场数值是不随着气压的增加而增加，只会随着外界电压的增加而增加。电场出现的时间与最大值出现时间，随着气压的增加而缩小的。电子密度最大值随气压的增加而增长。在改变大气压环境下，500Torr与760Torr环境下，最大值出现的时间，是先增加后减少的;在350Torr与1100Torr环境下，最大值出现的时间越来越快。离子密度最大值随气压增加也是发生变化的。当外界电压小于360V之后，350Torr环境下离子密度的最大值是最大的;当外界电压大于360V之后，随着气压的增加离子密度最大值，也随着增加。在不同气压、不同电压下，水平电流I1、垂直电流I2出现的时间都是在1100Torr环境下最早的，最终时间趋于10ns。在微等离子体放电过程中，随着电压的增加，电子密度、离子密度、电场强度、电流大小的出现时间与对应的数值都是先增加后减少的。但是气压在放电过程中不会产生类似变化，水平电场与垂直电场的大小不随着气压的增加而增加，但是水平电场与垂直电场出现的时间，随着气压的增加而增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 等离子体放电的研究背景与意义

1．2 大气压辉光放电的研究现状与应用

1．3 论文的内容与结构

1．4 论文章节的安排

第二章 微等离子体放电的系统模型

2．1 引言

2．2 传统系统仿真模型

2．2．1 等离子体系统的理论介绍

2．2．2 传统等离子放电的形式

2．2．3 传统阻碍气体放电的特质

2．3 等离子体模型算法总结

2．4 仿真数据的工具与方法

2．4．1 仿真数据的工具

2．4．2 仿真数据的模型介绍

2．4．3 数据仿真的原理

2．5 本章小节

第三章 PIC／MCC算法模型特性研究

3．1 引言

3．2 PIC模拟方法

3．2．1 空间模拟

3．2．2 粒子模型

3．2．3 粒子的发射

3．2．4 粒子运动轨迹

3．2．5 运功轨迹的计算

3．3 MCC模型碰撞机理

3．3．1 传统粒子运动碰撞分类

3．4 本模型设计思路

3．5 小结

第四章 模拟结果与分析

4．1 引言

4．2 350Torr环境，放电特性研究

4．3 不同电压，不同气压，放电特性研究

4．4 380V情况下，不同气压，放电特性研究

第五章 结论

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士研究生期间研究成果

致谢