阴极曲率半径对微米尺度气隙击穿的影响规律研究

微米尺度气隙击穿特性研究对微结构绝缘性能评价和微放电等离子体应用具有重要意义。该文建立了微米气隙击穿的二维物理模型,利用粒子模拟/蒙特卡洛碰撞(PIC/MCC)方法开展微米气隙击穿过程中电场分布及带电粒子的仿真研究,得到阴极的曲率半径对于微米气隙电场分布、带电粒子分布以及击穿路径的影响规律,并结合实验结果对仿真结果进行了验证,最后讨论分析极不均匀场下微米空气气隙击穿物理过程。结果表明,阴极曲率半径R_(0)对微米尺度击穿特性的影响规律主要分为两个阶段:当R_(0)<5μm时曲率半径的变化对电场畸变的影响较大,进而导致击穿电压变化较大;当R_(0)>5μm时R_(0)对电场畸变的影响逐渐变小,对击穿电压影响减弱。当间隙距离d为5μm时阴极场发射电流占总电流的95%以上,证明了场致电子发射成为击穿的主导机制。同时,阴极表面的放电区域面积随曲率半径的增加而增大,进而导致击穿电流增大。研究结果有助于进一步分析和理解微米尺度击穿过程的影响因素及其微观作用机制。

外施横磁下真空断路器弧后金属蒸汽击穿过程仿真研究

从微观的角度分析外施横向磁场下直流真空断路器弧后金属蒸汽击穿过程。首先,建立了可以描述直流真空断路器弧后金属蒸汽击穿过程的粒子模拟-蒙特卡洛碰撞仿真模型,确定了弧后金属蒸汽击穿判据;其次对比了不同横向磁场强度下弧后金属蒸汽击穿的发展过程,分析外施横磁强度对弧后金属蒸汽击穿的作用;最后,分析了外施横向磁场强度对弧后金属蒸汽击穿时刻的影响。研究结果表明:场致发射提供了金属蒸汽击穿的初始电子,是诱发金属蒸汽击穿的“种子”,电子崩的出现意味着金属蒸汽击穿的发生;横向磁场会降低真空间隙内的电子数和铜离子数,这是因为间隙内的电子和铜离子会在横磁的作用下横向扩散;横向磁场越大,金属蒸汽击穿速度越慢,当外施磁场由0 mT增加至2000 mT时,击穿时刻由1.913×10^(-7)s增加至2.72×10^(-7)s。本文的研究结果有助于理解外施横磁下直流真空开断的弧后金属蒸汽击穿过程,可为低压直流真空断路器的开发提供理论依据。

霍尔效应推力器羽流的PIC/MCC模拟(英文)

采用粒子网格单元与蒙特卡洛碰撞相结合的方法，建立霍尔效应推力器羽流的二维轴对称模型。模型中电子作为流体处理且服从等熵假设，离子（Xe＋和Xe2＋）采用粒子描述，中性原子为背景气体。自洽电势通过求解非准中性、线性化Poisson方程获得。模拟结果与实验数据相比较表明，模型能够可靠预估羽流的物理特性；粒子入射发散角为30°-40°时模拟结果与实验数据吻合较好；倒流区离子数密度可达10^14m^-3，会对飞行器表面造成损害；且等离子体密度和电子温度沿轴线方向衰减很快。

加速栅电压对双级加速离子光学系统栅极性能的影响

离子推力器的加速栅电压对加速栅截获电流的大小有影响。目前,离子推力器加速栅电压值是通过实验多次调节确定的,理论计算只能给出加速栅电压最大值。针对兰州空间技术物理研究所研制的双级加速离子推力器开展了加速栅电压的优化设计,利用质点网格法和蒙特卡洛碰撞法(PIC-MCC)开展了8000s比冲条件下5种加速栅电压(-150,-180,-200,-250,-300V)对离子运动轨迹、束流发散角、交换电荷(CEX)截获的数量和能量以及加速栅溅射速率的影响研究,根据研究结果确定了最佳加速栅电压为-250V。最后开展了验证实验,结果表明加速栅电压为-250V左右时,加速栅电流较小,验证了数值仿真的正确性。