PIC/MCC方法及其在气体放电中的应用研究

摘要

近年来，由于气体放电在生物医学、材料处理、热核聚变、环境净化、微波传输及等离子体推动器等各个前沿科学领域中的突出表现及潜力，受到各国学者的广泛关注。为了能更精确地预测并控制气体放电的特性，必须深入探讨其动理学性质。Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision(PIC/MCC)方法直接跟踪宏粒子，天然具有自洽准确反映各种粒子群体动理学性质的能力。特别是在气体放电领域，由于带电粒子群体通常偏离热平衡状态，导致其速度分布函数呈现非麦克斯韦分布的特性。此时，若继续采用传统的流体方法将带来较大的误差，而 PIC/MCC方法则在此表现出其独特的优越性。尽管 PIC/MCC方法的计算效率相对较低，但随着计算机性能的提高，近年来在基础研究及实际应用模拟中越来越多地开始采用PIC/MCC方法。
　　本论文在深入研究物理特性的基础上，对传统的 PIC/MCC方法进行了一定的改进。并结合相关动理学理论，对气体放电中的物理特性，特别是其中电子、离子的非热平衡动理学性质，进行了较深入的粒子模拟及理论探索研究，并也针对一些实际应用进行了数值模拟研究。
　　本论文研究工作主要包含以下几个方面：
　　1.结合蒙特卡洛粒子模拟方法与相关动理学理论对空间均匀微波放电中的电子非热平衡性质进行了研究。以电子为研究对象，对蒙特卡洛粒子模拟方法进行了初步研究。并同时通过玻尔斯曼方程理论求解了微波放电中的电子能量分布函数，并与粒子模拟结果进行了相互验证，为本论文接下来的工作打下坚实基础。并对存在外加磁场时的电子能量分布函数及微波放电中的电子能量振荡特性进行了理论及粒子模拟研究。同时，还对电子能量分布函数进行了近似解析求解。
　　2.针对离子-原子散射碰撞，在国际上首次提出一种与实际微分碰撞截面相吻合且具有可操作性的蒙特卡洛碰撞方法，并采用其对气体放电中离子的非热平衡性质进行了研究。传统上离子-原子碰撞通常忽略极化势而只考虑理想的电荷交换碰撞，其在离子横向分布的计算上存在较大误差。本论文提出一种更精确的离子-原子碰撞模拟方法，采用了更贴近实际的散射微分碰撞截面，使横向分布的精确度得到了巨大提升。以离子迁移及横向扩散特性的理论及实验结果对该方法进行了验证。并采用该方法对离子的横向速度分布函数、纵向速度分布函数、联合速度分布函数、及能量与角度分布函数进行了粒子模拟，并与实验结果进行了比较。
　　3.对微波气体击穿的物理性质进行了PIC/MCC数值模拟及相关理论研究。从玻尔斯曼方程出发，对气体击穿中的电离率与电场阈值等击穿特性进行了理论计算。并根据击穿特性，设计了一种操作简易的宏粒子合并算法，从而对气体击穿进行了PIC/MCC数值模拟，与理论及实验结果进行相互验证。并进一步从外加磁场对电场功率的影响出发，对存在磁场时的电离率进行了研究。最后还对气体中的微波击穿传播进行了理论与PIC/MCC数值研究。
　　4.采用PIC/MCC方法对灯丝放电负氢离子源的电子能量分布函数进行了的数值模拟研究。以负氢离子源为对象，在全三维PIC/MCC代码CHIPIC平台上，对Nanbu模型及Ta模型库仑碰撞算法进行了数值对比研究，探讨了库仑碰撞对电子能量分布函数的影响，并与实验结果进行了对比。接着对气体密度对离子源中电子能量分布函数的影响进行了一定的理论分析，并以PIC/MCC模拟进行了数值验证。

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简缩字表

第一章 绪论

1.1 气体放电的历史与前景

1.2 气体放电的非热平衡动理学性质

1.3 气体放电的模拟方法

1.4 PIC/MCC方法的发展历史

1.5 本论文的主要工作与创新

1.6 学位论文的组织

第二章 PIC/MCC方法

2.1 引言

2.2 电磁场算法

2.3 PIC方法

2.4 MCC方法

2.5 本章小结

第三章 电子能量分布函数的理论及粒子模拟研究

3.1 引言

3.2 电子的蒙特卡洛碰撞方法

3.3 电子能量分布函数的理论研究

3.4 粒子模拟与理论对比研究

3.5 简化解析模型的推导与数值验证

3.6 小节

第四章 离子碰撞数值模型及速度分布函数的粒子模拟研究

4.1 引言

4.2 离子-原子碰撞数值模型的研究

4.3 离子速度分布函数的粒子模拟研究

4.4 两种碰撞模型的数值对比研究

4.5 小节

第五章 微波击穿放电的理论及粒子模拟研究

5.1 引言

5.2 击穿放电中宏粒子合并算法的研究

5.3 击穿放电中击穿阈值及电离频率的研究

5.4 气体中微波击穿传播的研究

5.5 本章小结

第六章 PIC/MCC方法在负氢离子源放电中的应用研究

6.1 引言

6.2 基本模型与算法

6.3 两种库仑碰撞模型的对比研究

6.4 气体密度对电子能量分布函数的影响

6.5 小节

第七章 总结

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果

附录 A PIC/MCC方法在填充气体微波管放电中的应用研究