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常见气体放电参数的蒙特卡罗模拟

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:下面以SF6为例,对气体进行截面数据分析。以下所有碰撞截面的单位为10-20m2,能量ε的单位为e V。在SF6电子崩参数的计算中,用到如下所示的各截面的数据点及拟合函数式。如发生真实碰撞,则根据式和式判断电子与气体分子发生哪种碰撞,如发生电离碰撞,将此时产生的新电子的参数存储。用这组截面模拟得到的有效电离参数密度比(α-η)/N和漂移速度Ve与实验数据进行比较,达到了较好的一致性,如图3-4所示。

碰撞截面与电子的能量有关,数量很多、种类繁多且非常复杂,碰撞截面一般由实验测得,大多数研究者只测出了某种或几种截面,系统性较差并且采用实验方法各异,得出的截面也相差较大。而在蒙特卡罗计算中,截面数据的分析处理是非常重要的。根据物理假设和问题的特点,在蒙特卡罗计算中,可按点截面和分段截面两种方法选取截面数据。

下面以SF6为例,对气体进行截面数据分析。以下所有碰撞截面的单位为10-20m2,能量ε的单位为e V。

1)SF6的碰撞截面

SF6的动量传输、振动激发(阈值能量为0.095e V)和附着(包括、F-离子)截面采用Itoh的测量数据,电子激发(阈值能量为9.8e V)截面采用Yoshizawa的测量数据,电离(阈值能量为15.8e V)截面采用Rejoub的测量数据,将这组截面作为初始截面。在SF6电子崩参数的计算中,用到如下所示的各截面的数据点及拟合函数式。

(1)SF6的动量传输碰撞截面Qm

(2)SF6的电子激发碰撞截面Qex

(3)SF6的振动激发碰撞截面Qev

F-

(5)SF6的电离碰撞截面Qion如表3-1所示:

表3-1 SF6的电离碰撞截面

将以上函数式及数据点绘制如图3-3所示。

2)SF6模拟的电子崩参数

SF6蒙特卡罗模拟的计算步骤:

(1)将选择的碰撞截面作为初始截面组。

(2)取n0(3-000)个初始电子,并对初始电子的能量、位置和速度初始化。

(3)根据能量ε计算各截面,并求宏观截面和。

(4)根据式(3-37)和式(3-39),计算Δt和发生真实碰撞的概率。如发生空碰撞,电子将保持运动方向不发生改变,继续下一个Δt时间的运动。如发生真实碰撞,则根据式(3-41)和式(3-42)判断电子与气体分子发生哪种碰撞(弹性、振动、激发、附着、电离或中性分解碰撞),如发生电离碰撞,将此时产生的新电子的参数存储。

图3-3 SF6的碰撞截面:Qm动量传输截面,Qev振动激发截面, Qex电子激发截面,Qat1~Qat5附着截面,Qnd中性分解截面,Qion电离截面

(5)根据碰撞的性质,进行能量、速度和方向计算。

(6)将时间Δt累加,直到预定的截止时间,一个电子模拟结束;将所需要的量进行存储。

(7)将初始电子和新产生的电子都模拟完,按照式(3-54)、式(3-55)和式(3-56)计算电离系数密度比α/N、附着系数密度比η/N和漂移速度,有效电离系数密度比(α-η)/N为电离系数密度比减去附着系数密度比。

(8)将所得有效电离系数和漂移速度与其他文献报道的实验数据比较,如结果不一致,按照修正截面的步骤进行截面修正,重新开始模拟;如结果比较一致,则模拟结束。

用这组截面模拟得到的有效电离参数密度比(α-η)/N和漂移速度Ve与实验数据进行比较,达到了较好的一致性,如图3-4所示。

图3-4 SF6的有效电离参数密度比(α-η)/N和漂移速度Ve与E/N的关系

(▲)有效电离系数的实验数据;(○)有效电离系数的模拟数据;(■)漂移速度的实验数据;(△)漂移速度的模拟数据

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