（物理电子学专业论文）等离子体显示屏单元放电特性的理论研究.pdf

摘要 摘要 等离子体显示板( p d p ) 具有高亮度、高对比度、宽视角和长寿命等优点。但仍有很多不足， 主要是功耗大、放电效率低、成本高等。由于放电单元小、放电速度快，实验诊断非常困难，时间 长、成本高。而采用数值模拟的方法可方便地研究放电单元的放电特性，了解影响放电过程的各种 因素，优化放电单元参量，从而改善p d p 性能。与其它数值模拟方法相比，等离子体粒子模拟方法 克服了流体力学模型的缺点，可以在时间维和空间维上完全解决电子和离子的能量分布问题。当然 由于要跟踪大量粒子的运动，耗时较长，计算复杂。目前，等离子体粒子模拟方法已经成为研究等 离子体非线性效应的强有力工具。 本论文编写了基于p i c - m c c 模型的等离子体粒子模拟软件，并应用该软件模拟了荫罩式等离 子体放电单元中，金属荫罩障壁宽度对放电特性的影响。 其次，论文采用粒子模拟方法，研究了荫罩式等离子体放电单元阳极条纹形成和消失过程，通 过对放电过程中空间电场，粒子浓度以及壁电荷变化情况的详细分析，可以看到壁电荷积累是阳极 条纹形成的原因，并由此较为合理地解释了条纹形成机理。 最后，论文针对不同放电条件下放电特性以及阳极条纹的变化趋势进行了模拟研究。结果表明： 随着驱动电压升高，条纹形成时间提前，放电速度加快，峰值粒子数增多。随着气体气压的升高， 主放电区域缩小，条纹区域亦变小，条纹数目增多，放电速度变慢，峰值粒子数减小。随着氙气体 比例的增加，条纹数目增加。 关键词：等离子体放电单元荫罩式p d p 粒子模拟阳极条纹放电特性 东南大学硕士论文 a bs t r a c t p l a s m ad i s p l a yp a n e l ( p d p ) h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hl u m i n a n c e ，h i 曲c o n t r a s t , w i d ev i e w i n g a n g l ea n df u l lc o l o rd i s p l a y b u ti ts t i l l h a sl o t so fd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl a r g ee n e r g yc o n s u m i n g ，l o w d i s c h a r g ee f f i c i e n c y , h i 曲c o s t , e t c b e c a u s eo fs m a l ld i m e n s i o na b o u tp d pd i s c h a r g ec e l l ，i t sh a r dt o d i a g n o s eu s i n ge x p e r i m e n t u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w ec a l li n v e s t i g a t et h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so f p d pc e l l ，s t u d yv a r i o u sf a c t o r sw h i c hc a r la f f e c tp d pc e l ld i s c h a r g ea n do p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fp d p c e l l a n dt h e s ec a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fp d ec o m p a r e dw i t ho t h e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s a b o u tp d p , p a r t i c l es i m u l a t i o no fp l a s m a so v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ff l u e n tm o d e la n dc a ns i m u l a t e t h ee l e c t r o na n di o n se n e r g yd i s t r i b u t i o n si nt e m p o r a la n ds p a t i a ld i m e n s i o n a l i t y a tt h es s r f l et i m e ，t h i s m e t h o dc o n s u m e sm u c ht i m et os i m u l a t et h em o v e m e n t so fl a r g ep a r t i c l e s n o w a d a y s ，p a r t i c l es i m u l a t i o n o fp l a s m a sh a sb e e n i n gap o w e r f u lt o o lt or e s e a r c hn o n l i n e a rp h e n o m e n ai np l a s m a i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , ap a r t i c l es i m u l a t i o no fp l a s m a ss o f t w a r eb a s e do np i c - m c cm o d e lh a sb e e n p r o g r a m m e d a n dt h ei n f l u e n c eo ft h er i bw i d t h i ns h a d o wm a s kp d ph a sb e e ns i m u l a t e db yt h i sp r o g r a m s e c o n d l y , t h ep r o c e s so ft h es t r i a t i o nf o r m a t i o na b o v ea n o d ei ns h a d o wm a s kp d ph a sb e e ns t u d i e d c o m b i n e dt h ec h a n g i n go fe l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nd i s c h a r g es p a c e ，c h a r g ed e n s i t yi nc e l la n dw a l l c h a r g ed i s t r i b u t i o n ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ea c c u m u l a t i o no fw a l lc h a r g ei st h ek e yr e a s o no ft h ea n o d e s l r i a t i o nf o r m a t i o n ： a tl a s t , t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r i a t i o na b o v ea n o d ei nd i f f e r e n td i s c h a r g ec o n d i t i o n sh a s b e e ns i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i 廿lt h ei n c r e a s eo fv o l t a g e 。t h es t r i a t i o nf o r m a t i o na n dd i s c h a r g e s p e e db e c a m ef a s t e r , t h ep e a kv a l u e o fp a r t i c l e si n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo fp r e s s u r e ，t h em a i n d i s c h a r g er e g i o na n ds t r i a t i o nr e g i o n sb e c a m es m a l l e r , t h en u m b e ro fs t r i a t i o n si n c r e a s e d ，d i s c h a r g e b e c a m es l o w e ra n dt h ep e a kv a l u eo fp a r t i c l e sd e c r e a s e d 黝t h ei n c r e a s eo fx e n o np r o p o r t i o n , t h e n u m b e ro fs t r i a t i o n si n c r e a s e d k e yw o r d s ：p d pd i s c h a r g ec e l l ，s h a d o wm a s kp d p , p a r t i c l es i m u l a t i o no fp l a s m a s ，a n o d es t r i a t i o n , d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：璺多起 日期： 印岔4 勋 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布 ( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲趑笸翩繇函擎日期：塑乃 i i i 第一章绪论 第一章绪论 我们所处的时代是信息大爆炸的时代，据统计，信息的平均年增长率为2 0 ，到本世纪2 0 年 代将达到每两个月翻一番的惊人速度。大量的信息通过“信息高速公路”传送着，要将这些信息传 送给人们必然要有一个下载的工具，即接口的终端。研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得 的信息中，视觉占6 0 ，听觉占2 0 ，其他占2 0 。可见，近2 3 的信息是通过眼睛获得的。 上世纪中叶以来，显示技术的研究和开发工作异常活跃，已经陆续有种类繁多的新型显示器问 世，它们被作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、 卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。 在2 0 世纪，图像显示器件中，阴极射线管( c r t ) 占了绝对统治地位，如电视机、显示器等绝 大多数都采用c r t 。但是与此同时，平板显示技术也在飞速发展着，近三十多年来，在科学家和工 程师的共同努力与探索之下，各种平板显示器( f p d ) 应运而生，逐步发展起来。目前研究工作比 较集中的平板显示器件中，液晶显示器( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 和等离子体平板显示器 ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 占主导地位。其中p d p 则是最有前途的超大屏幕h d t v 接收机之一。 1 1 等离子体平板显示器( p d p ) 发展历程与基本特点【1 】 等离子体显示技术( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 是一种新型的显示技术，与众多的显示技术相比， 它在大屏幕、宽视角、重量轻、数字化、对比度、体积小、厚度薄、分辨率佳、易于批量生产、无 x 射线等方面显示出了很好的优势，代表了未来显示技术的方向，将成为未来显示产品的主流。虽 然p d p 已经开始批量生产，然而在这一技术的各方面仍然存在很多问题，还有很多技术问题有待进 一步去研究和克服，这些问题包括有发光效率低、功耗大、电压高等。对其作进一步的研究，以期 望获得诸如更好的图象质量、更低的放电电压、更高的发光效率、更低的能耗等多方面性能的改善， 从而更好的满足市场的需要。要达到这一目的，必须要做很多事情，例如理解p d p 的放电现象、开 发出更好的放电结构和驱动方法。 1 p d p 发展历程 p d p 是利用惰性气体在一定电压下产生气体放电( 形成等离子体) 而直接发射可见光，或发射 真空紫外线( v u v ) 转而激发光致荧光粉而间接发射可见光的一种发光型( 主动型) 平板显示技术。 显示屏由许多微小放电单元矩阵式排列组成，通过选址让放电单元产生放电。1 9 6 6 年，美国 i l l i n o i s 大学的b i t z e r 和s l o t t o w 教授发明了交流等离子体显示板a c p d p ，1 9 6 8 年荷兰飞利浦公司 发明了直流等离子显示板d c - p d p ；1 9 7 0 年美国布劳斯公司研制成功了自扫描等离子显示板。此后 p d p 在计算机终端显示、字符显示方面得到广泛应用。早期的彩色交流p d p 采用了双基板对向放电 式结构，但是由于粒子轰击造成荧光粉损伤，因此并不成功，p d p 的研究主要集中在直流结构。直 到1 9 8 9 年反射式表面放电技术的发明，才使得a c p d p 成为赢家。该结构将显示和寻址电极分开 提高了亮度，采用寻址与显示分离的驱动技术( a d s ) ，能实现2 5 6 级灰度，是p d p 彩色化关键技 术上的重大突破。此后p d p 的发展非常迅速，1 9 9 3 年，日本的富士通公司率先实现了5 4 c m 的彩色 p d p 量产。1 9 9 5 年富士通公司在市场上推出了第一台4 2 英寸1 6 ：9 的交流彩色p d p 。1 9 9 6 年被称为 “等离子体电视时代的开始”，从该年开始，多家公司相继推出了大屏幕的彩色等离子体电视产品。 日本的日立、n e c 、先锋、松下等多家公司的产品开始市场化。韩国的l g 、三星、o r i o n ，法国的t h o m s o n 3 东南大学硕士论文 等都加速了开发和规模生产的步伐，投资兴建p d p 生产线的资金累计超过2 0 亿美元。进入2 1 世纪， 随着d v d ，宽屏幕壁挂式电视，数字化电视，多媒体显示，以及h d t v 的普及，p d p 已经在大屏 幕显示市场占据重要的地位。 2 p d p 的基本特点 相对于其它几种显示技术，p d p 具备许多独特的优点： 平板化、重量轻、可实现壁挂式显示； 为自主发光型显示，因此与l c d 相比，等离子体显示屏具有较高的亮度，而且等离子体显示屏 的视角比较宽，可以达到1 6 0 0 以上； 适合大屏幕、高分辨率显示。目前单色p d p 已做到对角线达到1 - 5 m ，分辨率2 0 4 8 x 2 0 4 8 ，而彩 色p d p 已能超过1 0 3 英寸，分辨率超过1 0 0 0 线，2 4 位，1 6 7 0 万种颜色； 等离子体显示单元具有很强的非线性特性。作为矩阵显示，为了能对单元寻址，要求单元从熄 灭到点亮具有很强的非线性，而气体放电具有很强的非线性，或称开关特性，即仅当单元上施 加的电压超过着火电压时，气体才发生放电。因此，等离子体显示屏非常适合用于数字化显示； 存储特性。p d p 特有的存储特性使等离子体显示屏在存储工作方式下能得到比低占空比扫描刷 新方式显示高的多的亮度，这使得高分辨率大屏幕p d p 成为可能： 寿命长，目前等离子体显示屏的使用寿命已超过1 0 万小时； 响应快，p d p 的响应时间为微秒级，使显示图像时像素信号的更新不成问题； 受磁场影响小，无需磁屏蔽。 p d p 的上述特点使得它成为新一代显示器研究开发工作的热点。 3 p d p 存在的问题 各国相继投入大量的人力物力对p d p 进行开发完善。虽然p d p 具有许多的优点，目前也已经实 现了量产，但目前的p d p 显示屏要大面积的占领市场，仍然有许多问题需要克服： 不能承压，功耗大。由于是大型超薄平板显示器，结构上不能承压。驱动电压高，功耗大； 亮度低。虽然与l c d 相比，p d p 的亮度提高了许多，但作为壁挂式的显示器件其亮度仍需要进 一步提高； 发光效率低。由于p d p 利用的是辉光放电的负辉区，效率比较低； 成本高。要降低成本，必须降低材料成本，简化制造过程，提高成品率，这样才可以降低屏的 成本，改善显示屏的工作特性，降低对驱动的要求，从而降低驱动电路的成本： 显示质量有待提高。如存在串扰，在分辨率、对比度、动态图像伪轮廓等方面，仍需要进一步 的提高。 4 p d p 的研究方向 目前p d p 的研究方向主要集中在以下几个方面： 通过采用一些新的实验方法，精确地估计放电单元壁电荷在时间和空间上的特性； 实现各种放电结构不同形式的结合，开发出具有新型放电结构的p d p ； 研制出更适合p d p 显示的材料： 寻找辐射v u v 最强的气体及其混合比例； 对工艺进行监测。 4 第一章绪论 1 2p d p 的结构 随着科技的发展，技术的进步，研究人员设计出了许多新型p d p 单元结构，用以改善p d p 的 性能，提高亮度，提高发光效率，减少串扰等。本节介绍几种较为典型的结构。 1 w a m e 结构 先锋公司于2 0 0 1 年提出的w a f f l e 型单元结构是在传统的三电极表面放电结构的基础上在 行之间增加了障壁隔断将条状障壁介质改为封闭状结构能有效降低相邻显示单元的串扰，同时 由于荧光粉橡覆面积增大，可更好的收集紫外光子从而大大提高了发光效率。图1 1 为传统条形 障壁结构和w a f f l e 型障壁结构比较图。图1 ，2 为条形障壁结构和w a f f l e 型障壁结构显微图像。采用 该w a f f l e 结构与t 型电极的组合发光效率可提高4 0 。 a 1 传统条形障壁结构( b ) w a f f e 型障壁结构 图1 1条形障壁结构和w a f f l e 型陴壁结构 l a ) 传统条j 口障量( b ) w a f i e 皇障壁 图i - 2 条形障壁结构和w a f f l e 型障壁结构显微图像 2d e t t a 结构 富士通公司开发了d e l t a 型a c - p d p 结构。d e i t a 结构的基本构造与通常使用的三电极表面放 电结构相同。前基板上制作维持电极并覆盖介质层：后基板上制作寻址电极和介质障壁，障壁内滁 有红绿蓝三色荧光粉，如图1 - 3 ( 曲所示。不同之处在于放电单元的形状和排列。图卜3 ( b ) 为放象素 结构示意图图卜3 ( c ) 为障壁的显微图象。可以看到放电单元由弯曲的障壁构成。个象素由按d e l t a 方式排列的红绿蓝放电单元组成。d e l t a 放电单元结构与“弯曲电极”组合同样可有效提高发光效率。 该结构对前后基板定位、i t o 线条精度、障壁与寻址电极间对位的要求提高，增加了制作难度。 瓣钆、簿 京南 学碗士论立 图1 _ 3d e l t a 型a c - p d p 结构 松下公司提出了非对称单元结构。在该结构中特别扩大了蓝色荧光粉的面积t 成功解决了色 温偏低的问题。n e c 公司则通过在前基板上舔加彩色滤光膜( c c f ) 的方法来改善屏的色温和对比 度。 3 其他基于三电极表面放电的结构 此外还有几种表面放电的新型结构。 p l 船m s c o 公司提出了栅栏型c p c u c r 薄膜电极结构。此结构不必再用昂贵的透明电极，位于前 基板的每条显示电极都由三条很细的c r - c u c r 薄膜电极组成，它们提供了与透明电极类似的较大放 电区域和电容，井保证了较高的单口开口率，从而提高了亮度。在显示电极上制作短路线是为了避 免电极断线而且还可以减小电极电阻。 松下公司提出了非对称单元结构。在该结构中，特别扩大了蓝色荧光粉的面积，成功解决了色 温偏低的问题。n e c 公司则通过在前基板上添加彩色滤光膜( c c f ) 的方法来改善屏的色温和对比 度。 n o r i t a k e 提出了具有太放电间距的侧面放电结构。在该结构中，维持和扫描电极分别制作在障壁 内部放电在两个相对的障壁之间发生。这种电极结构可充分利用放电单元内的放电空间，从而在 高分辨率情况下可保证所需的亮度和效翠。除此之外在该结构中维持和扫描电极上不需i t o ，前基 板上也不需要介质层和m 9 0 保护层。另外由于障壁上的介质不需要透明所虬可采用较低的介质烧 结温度。与通常所采用的表面放电结构相比成本大大降低。当然该结构制作难度较大，产业化 还有一定的困难。目前可采用( g r e e ns h e e t ) 方法以及( m i c r o m o l d i n g ) 方法制作。一旦工艺上有所 宪破，该结构还是根有竞争力的。 4 荫罩式结构 由东南大学显示技术研究中心提出的荫罩式p d p ( s m p d p ) 结构，是近来受到国际上许多p d p 厂家和学者密切关注的一种结构。 第一幸绪论 女 ；“ 选种结构如图卜4 所示。这种结构与对向放电式放电结构看起来根类似，但是放电单元的丹隔 方法不样，新型s m p d p 结构不用介质障壁而用金属荫罩将各个放电单元隔开。图卜4 中最上面一 层为上电极，最下面一层为下电极上下电极正交，构成一个放电单元。在两电极之问，从上到下 分别是上介质层、金属罩层下介质层。上下介质层表面涂敷氧化镁膜m g o ，起保护介质层的作用， 同时还能增强二次电子发射。 由于金属荫罩的引八，改变了放电单元中的场分布放电单元出现局部强场，使得这种结构的 放电过程不同于对向放电。图i - 5 为s m p d p 的寻址过程。由于金属荫罩的引入，使得有较强的局 部场出现。放电首先从这些电场较强的部位开始然后向空间扩展。在行列电极间形成放电。由于 介质层上壁电荷的积累，使放电空间电场减弱，母终放电熄灭。但此时介质层上积累的壁电荷，为 维持期作好了准备。 闰卜5s m p b p 寻址过程 研究表明，谆结构具有低着火电压、高响应频率、高亮度、高效率以及长寿命等优点a 是种 很有竞争力的结构。 i 3p d p 发光机理 p d p 虽然有许多不同的结构，但其放电机理都是相同的。下面以n e + x e 混台气体为倒，来说明 p d p 的发光机理。 n e + x e 混台气体放电时由丁n e 的亚稳能级( 1 66 2 e v ) 走于x e 的电离能( 1 21 2 7 e v ) ，因此， 7 窜窜囱揽自瞅 东南大学硕士论文 亚稳原子肫二与x e 原子碰撞的过程为： n e ：+ 恐jn e + x e + + p ( 潘宁电离) ( 1 - 1 ) 所产生的电子在电场的作用下发生如下反应： p + 肫专n e + + 2 e ( 电子碰撞电离)( 卜2 ) p + 肫j 肫二+ p ( 亚稳激发) ( 1 - 3 ) e + 恐_ 盈+ + 2 e ( 电子碰撞电离)( 卜4 ) 如此循环，使x e 的电离几率极高，大大提高了气体电离截面并加速了寿命较长的n e ：的消失和 原子的电离雪崩，降低了p d p 的工作电压。 与此同时，被加速后的电子也会与x e + 发生碰撞。碰撞复合后，激发态x e 原子的外围电子，由 较高能级跃迁到较低能级，产生碰撞跃迁： p + j 国+ 专x e “( 2 p 5 或2 p 6 ) + 办y ( 1 - 5 ) 由于x e 原子2 p 5 和2 p 6 能级的激发态尬”很不稳定，极易由较高能级跃迁到较低的能级，产生逐 级跃迁： x e ”( 2 p 5 或2 p 6 ) jx e ( 1 s 4 或1 s 5 ) + h v ( 8 2 3 n m ，8 2 8 n m ) ( 1 - 6 ) 恐( i s 5 ) 与周围的分子相互碰撞，发生能量转移，但并不产生光辐射，即发生碰撞转移： x e ( 1 s 5 ) 一x e ( 1 s 4 ) ( 1 - 7 ) 这里，1 s 。是x e 原子的谐振激发能级。x e 原子1 s 4 能级的激发态跃迁至x e 的基态时，就发生共振跃 迁，产生使p d p 放电发光的1 4 7 n m 紫外光： x e ( 1 s 4 ) jx e+hv(147nm)(1-8) n e ，x e 原子的能级与发光光谱图如图卜6 所示。 8 第一章绪论 基态n e基态x e 图1 - 6n e ，x e 原子的能级与发光光谱图 由于1 4 7 n m 的真空紫外光能量大，发光强度高，所以大多数p d p 都利用它来激发红、绿、蓝荧光粉 发光，实现彩色显示。这种发光被称为光致发光。当真空紫外光照射到荧光粉表面时，一部分被反 射，一部分被吸收，另一部分则透射出荧光粉层。当荧光粉的基质吸收了真空紫外光能量后，基质 电子从原子的价带跃迁到导带，价带中因为电子跃迁而出现一个空穴。在价带中，空穴因热运动而 扩散到价带顶，然后被掺入到荧光粉中的激活剂所构成的发光中心俘获。例如红粉y 2 0 3 ：e u 。其中 e u 是激活剂，它是红粉的发光中心。没有掺杂的荧光粉基质y 2 0 3 是不具有发光本领的。另一方面， 获得光子能量而跃迁到导带的电子，在导带中运动，并很快消耗能量后下降到导带底，然后与发光 中心的空穴复合，放出一定波长的光。同一种基质的荧光粉，由于掺杂元素不同，构成的发光中心 的能级也不同，因而产生了不同颜色的可见光。 1 4 p d p 显示单元放电数值模拟的方法 认识复杂物理系统的性质可以通过两种经过检验的传统方法进行，即实验研究一一以某种可控 制的方式扰动该系统，借助于仪器观察它的性质；理论研究一一用解析数学方法通过已经建立的物 理规律自洽地确定该系统地性质。理论和实验地紧密结合使物理学取得了极大的进展。然而有很多 物理问题是不可能进行实验研究的，或者实验研究是极其困难的。多自由度的关联的互相作用使得 理论分析也是不实际的。但往往我们相信自己了解控制该系统的基本定理，而不能得出想认识它的 任何结果，或者可以提出一些见解，但由于理论的复杂性而不能进行检验。目前科研的很多领域都 属于这类问题。 捕捉等离子体显示单元的放电过程可以使用实验或者计算机模拟的方法。由于p d p 单元放电空 间较小，用实验方法很难诊断放电单元内等离子体的特性、各粒子的浓度变化。而用计算机模拟不 但可以减少昂贵的实验测量，还可以洞察放电过程中，各种粒子的浓度分布和变化趋向。因此，计 算机模拟是研究和开发等离子体的重要工具。 等离子体是一个呈现集体运动特性的带电粒子的复杂系统。对这样一个系统的数值模拟研究， 般采用流体力学模拟或动力学模拟方法。流体力学方法从宏观角度研究等离子体大范围的，长时 间的特性，将微观得到的输运系数等作为已知的条件，数值求解磁流体方程。而动力学模拟是在等 9 东南大学硕士论文 离子体体系中相空间分布函数随时间的变化的波尔兹曼传输方程( b o l t z m a n nt r a n s p o r te q u a t i o n ) 或 伏拉索夫方程式( v l a s o ve q u a t i o n , 在无碰撞等离子体系统中) 的描述【2 j 。 然而，b u n e m a n ，d a w s o n ，h o c k n c y 和b i r d s a l l 等学者于五六十年代创立了一种更为基本，更 容易在计算机上实现的等离子体数值模拟方、法【3 1 1 4 1 ，根据m a x w e l l 电磁方程直接模拟等离子体分布 函数随时间的变化，这就是等离子体的粒子模拟方法。这种方法使用计算机模拟跟踪计算大量单个 微观粒子的运动，再对组成物体( 包括气态，液态，固态和等离子体态) 的大量微观粒子进行统计 平均，由此得到宏观物体的物质特性和运动规律。现在，等离子体体粒子模拟方法已经成为了研究 等离子体非线性效应的强有力工具。近年来，它在可控热核聚变，空间物理，自由电子激光和一般 等离子体问题的研究中都有广泛的应用。世界上有很多研究所和大学都开展了这方面的研究工作。 目前国外有两个非常著名的粒子模拟程序m a g i c 和x o o p i c ，前者为美国m i s s i o nr e s e a r c h c o r p o r a t i o n ( m r c ) 公司在美国空军科研办公室支持下开发的商用三维粒子模拟程序，后者是由美国 加州大学伯克利分校的b i r d s a l l 教授领导的等离子体理论与模拟研究组( p l a s m at h e o r ya n ds i m u l a t i o n g r o u p ，p s t g ) 所开发的二又二分之一维p i c o m c c 模型程序。这两套程序也都有开发并行计算版本以 处理大尺度等离子体问题的模拟【5 】。在粒子模拟应用到等离子体显示方面的研究，亦有许多学者做 了大量工作。其中v p n a g o m y 和j k l e e 等人，通过对模拟结果的分析，对等离子体放电单元中的 放电现象及其机理进行了深入的探讨哪8 】1 9 】【1 0 l 。 图1 7 等离子体数值研究方法 图1 7 即为几种等离子体数值研究方法的关系。我们看到，等离子体粒子模拟方法和流体力学 模拟组成了完整的等离子体数值研究方法。另外，将等离子体粒子模拟方法与磁流体力学模拟方法 相结合，可以构成一种混合模拟程序 1 h 。 与其它模拟方法相比，等离子体粒子模拟方法克服了流体力学模型的缺点，可以在时间维和空间 维上完全解决电子和离子的能量分布问题。当然由于要跟踪大量粒子的运动，耗时较长，计算复杂。 目前，等离子体粒子模拟方法已经成为了研究等离子体非线性效应的强有力工具。尤其是对阳极条 纹的研究，简单的流体模型就无能为力了。 1 0 第一章绪论 1 5 论文工作 本论文编写了基于p i c - m c c 模型的等离子体粒子模拟软件，并应用该软件模拟了在荫罩式等 离子体放电单元中，障壁宽度对放电特性的影响。在该软件的开发过程中，我们借鉴了加州大学伯克 利分校等离子体研究小组开发的开源软件x o o p i c ，其中障壁宽度影响这部分功能是本软件为研究 荫罩式等粒子体放电单元而特别所扩充的。 阳极条纹现象是低压直流辉光放电和电离层等离子体中的非线性现象，一般认为它和弱电离气 体中的离子波有关系。近几年发生在等离子体显示屏放电单元中的阳极条纹现象引起了大家的密切 注意，通过对阳极条纹现象的深入研究，可以更好的理解等离子体放电单元的放电机理，从而可进 一步提高等离子体显示器的性能，使其在高分辨率显示方面更具有竞争力。论文使用t e c h x 公司 w i n d o w s 平台下的基于p i c m c c 模型的粒子模拟软件o o p i cp r o 对荫罩式等离子体放电单元的阳极 条纹现象进行了模拟研究，通过对阳极条纹的形成过程，壁电荷积累的情况以及空间电场变化等方 面的分析，较为合理地解释了阳极条纹的形成机理。 论文还研究了在不同条件下等离子体放电单元中阳极条纹以及放电特性的差异，如放电延迟和 峰值粒子数的变化。 1 6结构安排 论文共分七章。第一章介绍等离子体显示技术的概况。内容包括等离子体显示的发展、技术特 点、物理结构、气体放电原理、研究方法等等。第二章介绍等离子体显示单元放电的粒子模拟方法。 内容包括粒子模拟的发展概况，物理模型，程序流程以及计算机数值实现方法。第三章介绍我们自 己编写的粒子模拟软件的模块构成，功能及应用一一模拟荫罩式等离子体放电单元中障壁宽度对放 电特性的影响。第四章模拟了等离子体显示单元阳极条纹形成现象并较为合理地解释了阳极条纹的 形成机理。第五章模拟了不同情况下等离子体放电单元放电情况，分析条纹和放电特性差异。第七 章结束语。 东南大学硕士论文 第二章等离子体放电单元粒子模拟方法 2 1p i c - m c c 方法历史发展 p i c 模拟( p a r t i c l e i n c e l ls i m u l a t i o n ) ，又称c i c 模拟( c l o u d i n c e l ls i m u l a t i o n ) ，是模拟m a x w e l l 方程组描述系统演进的有效方法。p i c m c c 模拟是在p i c 模拟的基础上增加了带电粒子与中性粒子 间的碰撞过程，而这个过程用m o n t ec a r l o 方法来模拟。 p i c 方法的基础可以追溯到b u i l e m 锄【1 2 】和d a w o n 2 】在5 0 年代后期建立的一个自维持计算系统。 在这个基本的物理模型中，直接使用库仑公式计算空间电荷力，并且周期性统计粒子的运动轨迹。该模 型虽然简单，但等离子体粒子模拟方法的强大之处得以显现。 随后的若干年内，有几项重大的突破。在早期模型中，直接计算库仑公式导致一个拥有n 个粒子 的系统需进行n 2 次计算。而引用网格计算泊松方程的方法减少了计算量。依靠网格权重算法，这些 方法已经涉及到c l o u d i n c e l l 或p a r t i c l e i n c e l l ，可以对一个有1 0 3 1 0 4 粒子的周期性系统进行模拟， 一般是一维的。1 9 6 4 年，d a w s o n 4 】模拟了静电场波的郎缪波，而这一现象当时还没有被实验所观测 到。这推动了等离子体粒子模拟研究的发展。许多重要的方法被相继引入p i c 理论中。 p i c 理论在7 0 年代趋于完整化和规范化。很多经典的著作在这一时期发表，如b i r d s a l la n d l a n g d o n 【1 3 】，h o c k n e ya n de a s t w o o d 1 4 】。有关p i c 许多重要理论工作都是在这一时期完成的，包括时 间和空间的有限差分，电磁波的传播等。 进入8 0 年代，人们意识到边界在等离子体系统中扮演的重要角色。伯克利大学的 c k b i r d s a l l ，t c r y s t a l ，s k u h n ，w l a w s o n 等成立了等离子体驱动工作室，使用更严格的处理边界，以 便可以模拟真实的等离子体驱动【”】这一时期，带电粒子和中性原子的碰撞也被引入，但只是简单使 用了简单的碰撞截面【1 酬。至此，m c c 方法( m o n t e c a r l oc o l l i s i o n ) 被引入p i c 方法。 9 0 年代，v a h e d i 和s u r e n d r a 精确了碰撞过程，他们使用了更加真实的微分碰撞截面【1 7 】。带外部 电路驱动的模型也由一维拓展到了二维。随着面向对象编程方法的引入和计算机硬件性能的提升， p i c m c c 的二维和三维模型已经可以模拟约1 0 6 一1 0 8 个粒子在串行计算机上，约1 0 8 1 0 1 0 个粒子 在并行平台上。 2 2p i c m c c 方法物理模型和数值算法 2 2 1 物理流程 基于p i c m c c 模型的粒子模拟方法由两部分组成，p i c 部分和m c c 部分。前者用来模拟等离 子体在电磁场空间的运动状态，后者用来模拟等离子体间碰撞。 1 2 第二章等离子体放电单元粒子模拟方法 图2 - 1p i c - m c c 方法流程 图2 1 为p i c m c c 粒子模拟的整个流程，我们首先介绍p i c 部分是怎样模拟等离子体在空间的 运动状态的。 首先，我们将需要模拟的全空间进行网格划分，这是为了减少直接求解带电粒子间库仑方程的 运算量。接着对空间中的粒子的位置和速度初始化，定出迭代的时间步长。在一个时间步骤开始时， 使用前一个时间步骤所得到的粒子位置上所受的电磁力，代入粒子运动差分方程得到粒子的新位置 和新速度。在求得粒子的新位置之后，需要判断粒子是否接触边界，对于接触边界的粒子需要做相 应处理，如被边界吸收，二次电子激发等；对于未接触边界仍处于自由空间的粒子则不需要做任何 处理。下一步是，根据粒子的新位置与新速度使用加权法得出网格点上的电荷密度和通过网格界面 的电流密度。再将这些电荷密度和电流密度代入m a x w e l l 方程式的差分方程式可以得到网格点和网 格界面上新的电场与磁场。最后，再使用加权法由新的空间电场与磁场求得粒子所受的电磁力，并 完成一个时间步骤。在整个模拟过程中，上述过程不断重复直到所设定的模拟时间中止。 粒子模拟的p i c 方法，主要是针对无碰撞等离子体的。如果要处理等离子体系统内发生电荷粒 子间的短距离库仑碰撞以及电荷粒子与中性气体分子的弹性和非弹性碰撞的模拟，则必须加入处理 碰撞过程的方法。由于粒子间的碰撞是一个随机过程，因此常采用蒙特卡罗碰撞法，这一方法可以 有效的选取发生碰撞的粒子以及碰撞的类型。 粒子模拟原则上要有带电粒子的电荷密度和电流密度，通过麦克斯韦方程组求解电磁场，但并 不是所有的问题都需要这么做，有些问题仅需要求解麦克斯韦方程组的一部分，这样就可以节省时 间。按照求解不同形式的电磁方程分类，粒子模拟可以分为静电模、电磁模和静磁模的粒子模拟。 在静电模的粒子模拟中，等离子体的运动主要是电荷分离产生静电场所引起的。这类问题不必 要求解麦克斯韦方程组，仅需求解泊松方程就够了。而且，波动的特征时间为彩：1 ，因而时间步长 可取得较大，节省计算时间，是一类比较简单的模拟问题。 在粒子模拟中，如果等离子体在某一方向上的运动完全一致，就没有必要对这一方向上不同带 电粒子的运动做重复计算，而只要把等离子体看成一系列在这一方向的固体柱。这样，就只要考虑 这些柱在其它两个方向上的运动，大大节省了计算时间，变成了二维运动。在粒子模拟中，总是尽 量把等离子体变成维数低的模拟问题。通过粗略估算，可以看出计算量总是随着维数的幂次方变化。 如果一维问题的计算量是n ，, 贝l j - - 维问题就是n 2 ，因而降低维数十分重要。在粒子模拟中，通常约 定某一个方向既有粒子坐标变化，又有速度变化，称为一维，用1 d 表示。而如果只有速度变化， 1 3 东南大学硕士论文 没有坐标变化，则称为丢维，用百1d 表示。故1 d 表示一个方向的坐标和速度变化，称为一维。1 1 ，d 表示一个方向的坐标和两个方向的速度变化，称为1 去维；2 去d 表示两个方向坐标和三个方向 速度变化。 对于本论文的研究对象一等粒子体显示单元，只需考虑电场即可。因此下面就静电模型的 p i c m c c 流程中的每个步骤，给出详细的求解公式和数值解法。 2 2 2 有限大小粒子模型 等离子体物理学研究的对象是由大量带电粒子集合而成，密度又足够低的系统。由于带电粒子 数目巨大( 一个理想的等离子体系统其空间尺度必须远大于等离子体的d e b y e 长度，即l 如， 而在一个d e b y e 球内等离子体粒子数要足够多以产生屏蔽效应，即d = n ( 4 3 ) r c t 刍 1 ) ，要模 拟每一个粒子的运动，即使采用现今的大型电脑并行计算也无法在合理的时间内取得足够多的等离 子体分布信息。为此，人们引入了超粒子的概念睇j 。 在p i c m c c 模型中，每一个超粒子都代表模拟空间中一群真实的带电粒子。能够使用超粒子 来取代真实等离子体的原因在于，在等离子体分布函数的相空间中一点( x ，v ) 的周围，每个带电粒子 对电磁场的贡献及电磁场对粒子的作用力都基本相同，所以周围这些大量带电粒子的运动规律基本 相同，因此不必跟踪计算每一个粒子，只计算代表这些粒子的一个粒子就可以了。并且，在等离子 体中我们感兴趣的物理机制通常都是等离子体的运动行为，当等离子体的集体运动行为的特征尺度 大于d e b y e 长度时，个别粒子的运动行为将变得不重要，因此可以使用超粒子来模拟等离子体的集 体运动。超粒子的引入使得用计算机对等离子体的粒子运动作统计计算成为可能。 超粒子的引入基本上不改变等离子体的性质，但是，它放大了近程碰撞效应，引起了非物理效 应，这也就从根本上歪曲了等离子体以多体碰撞为主的集体运动特性。这一困难阻碍了粒子模拟技 术的发展和推广应用。直到有限大小粒子的引入才解决了这个问题【7 j 。 有限大小粒子的基本思想是：粒子不再是没有体积的超粒子，而是拥有形状的，其形状通过形 状函数s ( x ) 表示，即用q s ( x ) 替代q ( q 表示理想化的没有体积的超粒子电荷量) ，采取何种电荷分布 不受限制，通常采用由公式( 2 1 a ) 和( 2 1 - b ) 给出的球形分布和高斯分布，其分布如图2 - 2 所示。 跗，= 般口 晰。冲 双力2 荫 1 4 ( 2 1 - a ) ( 2 1 b ) 第二章等离子体放电单元粒子模拟方法 ( a ) 球形分布 r jl s 。 ( b ) 高斯分布 图2 - 2 两种常用的有限大小粒子形状函数。 其中形状因子满足p 驴) d ”，= 1 ，s ( r ) 给出了带电粒子在空间的分布。v n 为归一化因子。 有限大小粒子自身电荷是有形状分布的。一个粒子可以自由的穿过另一个粒子，并且在穿越过 程中没有转动和电荷分布改变。粒子间的作用一般可以等同为点电荷间的作用。很自然，有