略谈等离子体交叉场调制开关的相关磁场模拟工学论文

1、略谈等离子体交叉场调制开关的相关磁场模拟工 学论文略谈等离子体交叉场调制开关的相关磁场模拟工学论文摘要：等离子体交叉场调制开关（简称pcms管）采用外加磁场的 设计，基于冷阴极潘宁放电原理产生等离子体。本文应用基于有限 元法的多物理场仿真模拟软件comsol4. 0对pcms管器件模型进行二维建模;同时，建立了电子在磁场作用下的漂移扩散模型;分别对磁 场大小以及磁场区域的变化进行了模拟计算，重点讨论磁场的引入 对电子密度分布的影响，从而确定磁场的最佳设置。关键词：等离子体开关;磁场模拟;潘宁放电等离子体交叉场调制开关（plasmadischargecrossatronmodulatorswit

2、ches,简称 pcms 管）， 是一种新型冷阴极等离子体器件。其设计是以气体放电的相关理论 为基础，在各电极满足的必要条件下，合理的设置磁场，依据等离 子体的相关性质，实现对脉冲电流的通断控制1、2 opcms管在许多方面特别是等离子体的产生方面相比其他传统等 离子体开关器件有很大改善34 opcms管为轴对称，由阴极、源栅极、控制栅极和阳极构成，其 中两栅极的功能是实现控制器件的通断和预电离，另外有两组永磁 钢环固定在阴极的外侧，以帮助增大电子碰撞电离的概率，结构示 意如图15飞。根据冷阴极潘宁放电原理7, pcms管的阳极为一实心柱体，阴 极的形状为（圆柱面）。系统空间中残存的电子、离子

3、，在有磁场存 在的情况下，产生轮滚线运动，电子运动轨迹比较无磁场的情况大 大延长，导致电子与中性气体分子的碰撞几率增大，使得这种结构 在很低的气压下也能发生放电7。同时，磁场对于电子的运动有着很强的约束作用，这可以有效的限制阴极溅射等不利于器件寿命的 现象发生的程度。1理论分析与建模1.1 引入磁场的理论依据在外加电场和磁场的作用下，等离子体 内的电子和离子将发生定向移动，带电粒子流的密度可以用漂移扩 散方程来描述，这里将先考虑电子，由于模型中离子采用其他方法 来描述，本文不做讨论。电子的漂移扩散方程如下：部ne郭t+甥 f e=re (1)e=-甥(dene) -enee (2)其中,ne

4、为电子密度，ue 为 电子的迁移率，e为电场强度，de为电子的扩散率，re为电子产生 率，准确的说是净产生率，其反应了电离与复合过程综合作用的结 果。e为电子的通量密度。一个电子在外加电场中运动，其行为表现为迁移和扩散，本文通 过对迁移率和扩散系数的讨论来研究磁场的加入对于电子运动的影 响。由动量守恒方程的表达式:mn $|5 u t+$l u $l u $l$l 事l=qne戟-甥p-mnvmu事l(3)其中，u为电子运动的平均速度，m为 电子质量，n为电子密度，q为电子电量，e为电场强度，p为压强, vm为碰撞频率。迁移率：u =qmvm(m2/v s) (4)扩散系数:d=ktmvm(m

5、2 s) (5)在 本文的模型结构中，电子会在洛伦兹力的作用下，在垂直于系统对 称轴即磁场的z分量b二z赞b0方向的平面内做圆周运动，其回旋频 率为：3 c=qbom(6)考虑本文所研究的模型为分布在一个长的圆柱形 器件内的等离子体，该圆柱的轴向就是磁场b二z赞b0(7)的方向。 电子密度梯度的方向为径向，垂直指向对称轴。电场方向与电子密 度梯度方向一致。垂直方向的,迁移率和扩散系数分别为9： u_l=u1+(3ct m)2(8)d=dl+( wc t m)2(9)其中，3 c 为回旋频 率，t m为平均碰撞时间。在所建立的等离子体模型中，将之前确定的磁场函数b0代入， 并根据在垂直方向上的迁

6、移率和扩散系数对等离子体模型进行设定, 从而实现了电子在磁场作用下的漂移扩散方程的建模。1.2 软件建模及磁场的计算pcms管的工作过程分为三部分：预电离，导通以及截止。预电 离就是在器件导通之前，在源栅极上加一个触发电压，使得在两个 磁环叠加所产生的磁场最强的阴-栅间的区域先产生一个高密度等离 子体区，其目的是使放电电流快速增长，实现pcms管快速导通的能 力。磁场对于pcms管的工作过程有着重要的影响，准确地讲也就是 在电磁交叉场和源栅极的共同工作下完成预电离过程。所以笔者建立了如图2的二维二级系统（阴极和源栅极）的放电几 何模型。fig. 22-dmodelofthedevice源栅极电

7、压为500v,阴极接地。磁 场由两个磁钢环提供，设置图2所示。通过comsol4. 0电磁场模块 模拟直流放电的电磁场问题。得到z方向的磁感应强度分布图见图 lo最终将模拟得出的数据作为导出函数，以备在下一步的的模拟中 调用。2模拟结果与分析基于上述在comsol4. 0中建立的器件模型，木文对磁场强度大小 逐渐改变的过程，以及磁场区域的变化（磁钢环的相对位置）情况进 行了模拟，笔者分别从器件中等离子体密度和等离子体的分布均匀 度两方面来观察磁场对于器件预电离过程的影响。2.1磁场强度大小的改变对预电离过程中电子密度分布影响磁场 的加入使得电子与中性分子的碰撞几率大大增加，确定对应于当前 模型

8、的磁场强度的最佳值是首先要完成的工作。在两磁钢环闭合的 情况下，磁感应强度最大处在两磁钢环接触边界处，分别设定其 b=0. 022, 0. 044. 0. 066, 0. 088（t）,得到了一系列模拟结果图，图中, 横轴为源栅极与阴极间的距离，纵轴为电子密度大小，线状图中， 各条曲线代表不同时刻的电子浓度分布情况。fig. 3radialdistributionofelectrondensity 由图 3 可以看出, 随着磁场的增加，电子浓度逐渐增大。同时，随着磁场强度的增大, 电子浓度沿轴向的分布线度变小，即电子浓度在增大的同时，电子 向磁场强度最大的区域集中。一个电子在外加电场的驱动下从

9、阴极 向阳极运动，在运动过程中，电子与器件内部的中性气体分子将会 发生碰撞。当这个电场足够大时，将会发生碰撞电离，电离出的新 电子会继续碰撞中性气体分子发生碰撞电离，此过程重复连续发生, 最终使得管子内部发生电子雪崩效应。在一定尺寸内，仅仅凭借电 场的作用很难使得电子在较短的自由程内获得足够大的能量。因此, 考虑在系统中引入磁场可以改变电子的运动方向8,增加电子的平 均自由程，从而提高电子与中性分子的碰撞频率。通过电磁场提供 能量，这样更易于发生碰撞电离，使得雪崩效应更容易发生。电子会在磁场的作用下围绕一个导向中心做圆周运动，回旋半径 lnivqb;而电子在电磁交叉场中运动时，电子的运动为轮滚

10、线运动， 这个滚线运动，也就是导向中心在垂直于电磁场方向的漂移运动和 电子的圆周运动之和（如图4）。可见，加入磁场后，电子的运动距 离大大增加，也就增加了其与中性粒子的碰撞几率，使得由电离产 生的二次电子增多，这必然使电子密度增加9。观察器件内的磁场 分布可以注意到，在沿着电场的方向上，磁场强度b的分布存在梯 度，由阴极向源栅极b逐渐减小。回旋半径lmvqb与磁感强度b成 反比，磁场越强，半径越小，这样一来，在很强的磁场中，每个带 电粒子的运动便被约束在一根磁感线附近很小的范围内（如图5）, 也就是说，带电粒子回旋导向中心只能沿磁感线纵向移动，而不能 越过它。只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能

11、由一根磁感线跳到 另一根磁感线，即有碰撞存在时，才会存在垂直于磁场且平行于电 场方向的迁移和扩散运动，且它们会随磁场强度的增加而减少。因 此，强磁场可以使带电粒子的输运过程受到很大的限制10。模拟 结果中，在加入磁场后，电子浓度开始增加且向磁场最强的区域集 中的现象就是磁场对于等离子体的约束作用的体现，也就是磁场将 等离子体约束在了磁场强度较大的区域内。在磁场的约束作用下， 器件中间位置形成了一个电子高密度区域，对于适当的磁场大小， 将达到实现预电离的目的。离子基本不受磁场的约束，并在阴极电场的加速下以高能量轰击 阴极，将会发生阴极溅射。如果溅射强烈，溅射出的原子和电子会在器件内壁上镀上一层金

12、 属薄膜11。结合模拟结果，当磁场较小时，其约束的等离子体范围较大，电子浓度沿轴向的分布过宽，其溅射容易使电极上下边界 附近处的绝缘基座导通，器件烧毁。但磁场也绝非越大越好，由图 3可见，当磁感强度b达到0. 088t时，所形成的电子通道宽度极窄, 电子密度特别大，在这个小的区域内，正离子对阴极的轰击的强度 将会很高，溅射现象会极其强烈，这势必不利于器件的寿命。所以，综合模拟结果和分析，磁感应强度的最佳取值范围为 0. 05t0. 07t o图4电子在电磁交叉场中的滚线运动图5磁场对于电子运动的约 束2. 2磁场区域的变化对电子浓度的影响通过模拟分析认为，磁场 选定在0. 05t到0. 07t

13、这个区间范围内时，pcms管中的放电状态最 优。因此，选用0.066t这个磁感应强度来讨论磁场区域的变化对放 电过程的影响。考虑到磁环在器件中的位置，笔者分别做了磁钢环分离间距 2mm, 4mm, 6mm, 8mm以及磁钢环闭合状态下的几种磁场分布关系， 通过计算得出稳态时电子密度分布图如下。电子密度径向分布图中, 横轴为源栅极与阴极的间距，纵轴为电子密度大小；电子密度轴向分 布图中，横轴为电子密度大小，纵轴为器件的轴向间距。由图6可以看出，磁钢环闭合与间距2mm时的电子密度分布十分 接近且最强，即该状态下放电电流最大。电子高密度区域约束在电 极轴向的中部，距柱面电极的上下边界较远，溅射的影响

14、较弱。随 着磁钢环距离的增加，电子高密度区域的轴向宽度变宽，逐渐向源 栅极和上下两端扩散。结合之前的理论分析，随着磁钢环间距的增 大，磁场约束等离子体的区域逐渐在轴向延伸，靠近电极上下边界 的绝缘基座，伴随着溅射现象很容易降低器件寿命。所以，磁场对 等离子体的约束区域应集中在器件中间部分，结合模拟结果，在不 超过2mm的间距时最佳。3实验测试依据上述模拟结果，笔者对pcms管的设置进行了调整和测试。测试管结构如图1所示。其中，阴，阳极以及栅极材料均为铝。氢 存储器中低温状态下为氢化钛粉末，当温度上升时，氢气逐渐释放 出来。管内压强为100133pa(wltorr),由氢存储器的加热电压控 制。

15、磁钢环材料为铁钻，两环接触吸合位置表面的磁感应强度为 0. 06to测试工作主要是观察在磁感应强度为0. 06t时管子是否能够触发, 同时进行一些定性测试，包括测试控制栅极的单向导通性，测试磁 场分布对真空vacuum第48卷导通过程的影响等。笔者先做了源栅触发，发现在500600v之间时才发生放电，而 控制栅极只需要450500vo由于控制栅距阴极比距源栅要远，这样的结果符合帕邢曲线的变 化规律。放电结束时，断开氢存储器的加热电源，管子内部仍有一 部分氢气存在，这时用兆欧表测试控栅-阴极电阻发现，正向时电阻 大约为几十兆欧，反向时电阻为无穷大，也即是说该区域存在着单 向导通性。同时，为了观察

16、磁场的分布对放电电流的影响，笔者分 别作了以下实验：磁钢环吸合、磁钢环分开;将磁环正对阴极放置、 或者偏离阴极。得出的结论是：当磁钢环正对阴极、且吸合或分开 2mm时放电电流大，其他情况电流较小，基本与模拟结果一致。对pcms管进行触发时出现了一个负电压的现象，如图7所示， 对此我们进行了一个初步的分析。触发电压大致为2000v电压及几 百毫安的电流。触发电流只有几十毫安，当触发发生后，管子内部 迅速形成了一个以电子迁移为主的电流;这个电流主要由二次电子碰 撞电离而产生的电子构成，从极板上来看，阳极电流是大量电子被 吸附的效应，而阴极电流则是离子轰击所产生的大量的二次电子的 发射所发生的表现。根据基尔霍夫定律，阳极和阴极上的电流应该 相等，因此这个二次发射量不会太小。考虑到所提及的迟滞效应， 势必会伴随这样一个现象发生电压和电流无法同步达到极大。而管子内部既然发生触