依據(jù)直流輝光放電理論，考慮帶電粒子的連續(xù)性方程、泊松方程以及在電磁交叉場(chǎng)條件下的麥克斯韋方程組，利用數(shù)值模擬方法研究了壓強(qiáng)對(duì)等離子體交叉場(chǎng)調(diào)制開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱PCMS 管)中電子溫度、擊穿電壓、著火時(shí)間以及電子密度分布的影響。得出了小型PCMS 管中壓強(qiáng)設(shè)置的合理取值范圍，所得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。

　　作為一種新型的冷陰極等離子體脈沖功率放電器件，等離子體交叉場(chǎng)調(diào)制開(kāi)關(guān)是基于直流輝光放電理論，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生等離子體，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通導(dǎo)過(guò)程。

　　多年以來(lái)，人們對(duì)氣體放電的研究更多的傾向于對(duì)氦、氬等惰性氣體的研究，而研究中多數(shù)又是對(duì)陰極表面溫度的設(shè)定、陰極材料的選取、陰極幾何形狀的確定、二次電子的發(fā)射、電子溫度、電極間距等方面所進(jìn)行的研究。本文認(rèn)為，放電器件內(nèi)的壓強(qiáng)，對(duì)整個(gè)放電過(guò)程也有著重要的影響，特別是系統(tǒng)內(nèi)的電子溫度、帶電粒子的遷移率、擴(kuò)散系數(shù)、中性分子的電離率等描述等離子體的相關(guān)參數(shù)均與壓強(qiáng)有著十分重要的關(guān)系。為此，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)設(shè)置的研究，是對(duì)PCMS管研究?jī)?yōu)化的一個(gè)重要側(cè)面。

　　考慮到開(kāi)關(guān)器件研制的時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較大，所以，數(shù)值模擬方法的采用是積極有效的。目前，人們對(duì)數(shù)值模擬主要采用有限時(shí)域差分法，相對(duì)于該方法，有限元法具有能夠處理復(fù)雜的邊界條件，計(jì)算周期相對(duì)較短，適用于多物理場(chǎng)耦合等優(yōu)點(diǎn)，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為筆者選用有限元法來(lái)研究壓強(qiáng)對(duì)等離子體交叉場(chǎng)調(diào)制開(kāi)關(guān)管放電過(guò)程的模擬計(jì)算的方法是非常正確的。

模型的建立與模擬

　　參考前期對(duì)冷陰極交叉場(chǎng)調(diào)制開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從結(jié)構(gòu)上對(duì)該器件做了相應(yīng)的優(yōu)化。最終確定的系統(tǒng)電極間距如圖1 所示。本文討論的條件為陰極—源柵極相距8 mm時(shí)，預(yù)電離狀態(tài)下氣體放電的穩(wěn)定過(guò)程。圖2 為PCMS 管陰極—源柵極的二維示意圖。其中，r 為對(duì)稱軸，左端為源柵極，右端是陰極，極間距離為8 mm，極板間充滿壓強(qiáng)為P 的氫氣，系統(tǒng)處于室溫狀態(tài)(300 K)。

　　圖6是不同壓強(qiáng)條件下，著火時(shí)間(實(shí)線)和穩(wěn)態(tài)(虛線)時(shí)電子濃度的分布情況。其中橫軸表示PCMS 管的軸向長(zhǎng)度，縱軸表示電子密度分布。從圖中可以看出，隨著壓強(qiáng)的增大，穩(wěn)態(tài)時(shí)的電子密度不斷增加，達(dá)到著火時(shí)間時(shí)電子密度保持在0.5×10¹⁶ 個(gè)/m³ 以上，并且電子密度分布區(qū)域不斷向兩個(gè)絕緣壁增加。可以認(rèn)為，由于壓強(qiáng)的增大，電子和中性分子碰撞次數(shù)隨之增加，磁場(chǎng)不斷的改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)電子的約束能力減弱，從而電子密度分布范圍不斷向絕緣壁擴(kuò)大，易發(fā)生絕緣壁的擊穿導(dǎo)通，從而影響器件內(nèi)部的工作過(guò)程。針對(duì)以上模擬現(xiàn)象，以及對(duì)比不同壓強(qiáng)下PCMS 管的工作特性參數(shù)可以得出，首先，壓強(qiáng)過(guò)小會(huì)導(dǎo)致電離氣體產(chǎn)生的等離子體密度很低，系統(tǒng)不能滿足形成等離子體的閾值條件，如在模擬過(guò)程中，p<100 Pa時(shí)，電子密度趨近于0;同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)U 氫為5.5 V 和5.8 V 時(shí)，裝置內(nèi)部對(duì)應(yīng)的工作氣體壓強(qiáng)較低，因而陽(yáng)—陰極放電電流較小，與之對(duì)應(yīng)的是裝置內(nèi)部阻抗較大，與負(fù)載電路的匹配性不好。其次，壓強(qiáng)過(guò)大，電子密度分布范圍較寬，易導(dǎo)致絕緣壁的擊穿導(dǎo)通。因此，綜和考慮各種因素認(rèn)為，PCMS 管內(nèi)真空度應(yīng)選擇在133 Pa~200 Pa 之間為佳。

　　在其他參數(shù)不變的情況下，改變壓強(qiáng)的大小對(duì)PCMS 管特征參數(shù)變化有很大影響。通過(guò)模擬分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，在陰極—源柵極間距為8 mm，磁場(chǎng)大小約為0.06 T 時(shí)，PCMS 管壓強(qiáng)的工作范圍在133 Pa~200 Pa 之間，擊穿電壓范圍為400 V~700 V。并且電子溫度隨著壓強(qiáng)的增大以拋物線形式遞減，著火時(shí)間隨著壓強(qiáng)的增大呈冪指數(shù)形式遞減，陰極位降區(qū)域變化與壓強(qiáng)成反比關(guān)系。