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等离子体交叉场调制开关工作过程的模拟研究

作　者: 高媛
导　师: 刘竞业
学　校: 北京化工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 等离子体直流放电氢气数值模拟交叉场
分类号: TN132
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在脉冲大电流调制开关的应用中，冷阴极等离子体调制开关占有很重要的位置。作为一种新型的等离子体脉冲功率放电器件，等离子体交叉场调制开关（英文名称Plasma discharge CROSSATRON modulator switch，简称PCMS管）是在直流辉光放电理论的基础上，通过电场和磁场的交叉作用下产生等离子体，最终实现通导过程的开关器件。由于大功率脉冲调制开关器件对工作要求抖动低、脉冲前沿短、负载功率大、恢复时间短，而氢气作为工作气体比较其它气体能够更好地满足上述条件，因此笔者仅就氢气放电及氢等离子体的形成进行系统、定量的理论分析。本文针对低气压、弱电离条件下的氢气放电，建立了二维直流放电模型。依据直流辉光放电理论，考虑带电粒子的连续性方程，泊松方程以及带电粒子在电磁交叉场条件下的麦克斯韦方程组，运用有限元方法，就工作气体—氢气中主要反应过程的确定、压强对PCMS管工作过程的影响、不同迁移率对击穿过程的影响、击穿电压的理论确定、击穿电压与极间距的关系等问题作了详尽的模拟分析，为冷阴极等离子体交叉场调制开关的设计提供了优化依据。同时，根据模拟结果与相关参数的实验测试结果比较的吻合性，证明了模拟分析方法的可行性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章绪论  15-21
  1.1 等离子体交叉场调制开关（PCMS 管）工作简介  15-17
    1.1.1 PCMS 管基本结构  15-16
    1.1.2 PCMS 管工作原理  16-17
    1.1.3 国内外研究现状  17
  1.2 数值模拟方法  17-19
    1.2.1 PIC-MCC 方法  18
    1.2.2 FDTD 方法  18-19
    1.2.3 有限元法  19
  1.3 本论文研究的意义、目的和内容  19-21
第二章气体放电及相关理论分析  21-33
  2.1 带电粒子在气体中的运动  21-27
    2.1.1 带电粒子的产生与消失  21-22
    2.1.2 带电粒子在气体中的迁移运动  22-24
    2.1.3 带电粒子在气体中的扩散运动  24-26
    2.1.4 带电粒子在交叉场中的迁移扩散  26-27
  2.2 气体放电特性与原理  27-30
    2.2.1 汤森德理论  27-29
    2.2.2 帕邢定律  29-30
  2.3 气体放电伏安特性  30-33
第三章等离子体交叉场调制开关内工作气体相关反应的模拟分析  33-51
  3.1 等离子体中的反应  33-37
    3.1.1 弹性碰撞  33-34
    3.1.2 激发和电离  34-35
    3.1.3 复合  35-37
    3.1.4 关于负离子反应  37
  3.2 氢等离子体中的主要反应  37-40
    3.2.1 在氢等离子体中存在的主要反应  37-38
    3.2.2 纯氢等离子体中的反应类型  38-40
  3.3 PCMS 管的建模  40-43
    3.3.1 几何建模  40-41
    3.3.2 物理建模  41-43
  3.4 PCMS 管中相关反应的模拟分析  43-49
    3.4.1 理论分析  43-45
    3.4.2 模拟结果和分析  45-49
  3.5 结论  49-51
第四章影响等离子体交叉场调制开关工作过程的数值模拟  51-61
  4.1 压强对等离子体交叉场调制开关工作过程的模拟分析  51-57
    4.1.1 压强对电子温度的影响  51-53
    4.1.2 压强对阴极位降区域的影响  53-54
    4.1.3 压强对着火时间的影响  54-55
    4.1.4 压强变化对电子密度分布影响  55-57
  4.2 迁移率对等离子体交叉场调制开关工作过程的模拟分析  57-58
  4.3 击穿电压对等离子体交叉场调制开关工作过程的模拟分析  58-59
  4.4 模拟曲线与帕邢曲线的对比  59
  4.5 小结  59-61
第五章实验与模拟对比验证  61-67
  5.1 实验测试电路  61-62
  5.2 考虑 11 种反应的模拟结果  62-65
    5.2.1 有限元与有限差分法的对比  62-63
    5.2.2 实验测试与模拟结果比较  63-65
  5.3 PCMS 管压强测试  65-66
  5.4 结论  66-67
第六章总结  67-69
参考文献  69-72
致谢  72-73
攻读学位期间的研究成果及发表的学术论文  73-74
作者简介  74
导师简介  74-75
附件  75-76

等离子体交叉场调制开关工作过程的模拟研究

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