气体放电的相似性

为了使读者对气体放电相似性有一个全面的了解,对气体放电相似性的研究进行综述。Townsend首先阐述了气体放电相似性原理,von Engel给出了气体放电相似性的定义、主要相似关系,相似放电允许和不允许的物理过程。两个气隙放电相似的必要条件是p1d1=p2d2和E1(px)/p1=E2(px)/p2(p1、d1、E1和p2、d2、E2分别为两个气隙的气压、气隙长度、电场强度)。前者表明电子跨越整个气隙期间所发生的平均碰撞次数相同,而后者表明电子的平均动能相同,即每次碰撞原子时的电离能力相同。随后介绍了放电相似性的使用范围在高频放电和脉冲放电研究领域的扩展,并简单介绍了3个放电相似性的应用例子:清洗ITER装置的超大尺度辉光放电、分析化学中的超小尺度放电、大气中间层的超大尺度放电。

辉光放电正柱区对中空阴极放电相似性的影响

为了进一步理解中空阴极放电的相似性问题,对辉光放电正柱区是否破坏中空阴极放电的汤森相似性进行了研究。选定2组平行平板几何相似气隙(比例系数k=2),进行氩气辉光放电实验。通过提高气压来逐渐增加正柱区的长度,发现这2个几何相似气隙的辉光放电伏安特性曲线始终重合。基于二维流体模型,数值模拟了上述实验中的辉光放电,发现这2个辉光放电的各对应物理参数始终满足相似放电规定的比例关系。通过理论分析和推导,发现辉光放电正柱区所有的双极性扩散过程是相似放电的允许过程。最后给出结论:辉光放电正柱区可能不是破坏中空阴极放电(hollow cathode discharge,HCD)的汤森相似性的原因。

棒-板电极下缩比气隙辉光放电相似性的仿真研究

建立了棒-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1 Torr和10 Torr.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(如电位、电场、电子密度、离子密度、电子温度等)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.

电场分布对帕申曲线的影响

帕申定律是气体放电最重要的发现之一,但是它还存在一些问题,如帕申定律仅适用于均匀电场。为了了解电场分布对帕申曲线的影响,对低气压平行平板间隙的击穿进行了实验研究和数值模拟。实验观察到了非均匀电场中不同气隙帕申曲线的分离现象和交叉现象,发现了击穿电压Ub不但是组合变量pd的函数(气压p和间隙距离d的乘积),而且也是d与电极半径r之比d/r函数,即Ub=f(pd,d/r),基于电场分布,解释了帕申曲线的分离现象。利用对气体击穿进行数值计算,重现了帕申曲线的交叉现象,基于电场分布和气压和电子平均自由行程的关系,解释了该交叉现象。这些结果将帕申定律扩展到平行平板气隙中的非均匀电场,并有助于人们正确地引用帕申定律。

缩比间隙中辉光放电相似性的初步研究

为了研究缩比实验在气体放电中的有效性,对缩比间隙中的低气压氩气放电进行了数值模拟.根据气体放电相似性的猜想,如果间隙气压p和间隙距离d的乘积为常量,即p1d1=p2d2,并且约化电场E/p在两个间隙中的空间分布相同,那么这两个放电间隙的放电特性存在相似性.数值模拟中设置三个缩比间隙:气隙A的长度为30 mm,气压为1 Torr(1 Torr=133.322 Pa);气隙B的长度为15 mm,气压为2 Torr;气隙C的长度为10 mm,气压为3 Torr.仿真结果表明,三个间隙均为辉光放电,并存在明显的阴极位降区.间隙A,B,C的阴极位降区的厚度dC分别为2.71,1.35和0.87 mm,相对应的pd值几乎相同,即pdC≈2.70 Torr·mm.这与氩气辉光放电Paschen曲线最低点(pd≈2.86 Torr·mm)相近.缩比间隙的放电参数的特性(如工作电压、电场、电流密度、电子密度和离子密度的沿"空间"px的分布)的数值计算结果与放电相似性猜想所预计的结果一致.所以,可以认为放电相似性猜想适用于低气压氩气缩比间隙的辉光放电.