小型脉冲真空弧离子源中阴极斑过程的自洽模拟

Vacuum arc discharges have received great applications in vacuum switch, film deposition, electrical thruster, and ion sources. The actions of cathode spots (CS) determine the performance of the ion sources, and are hot research topics in the academic. Basically, fluid models rely on dividing the CS into different regions and assuming an approximation for the velocity distribution function of plasma particles. Therefore, those models are only capable to describe limited behaviors in CS. The evolution of CS in the pulsed vacuum arc ion sources is very complex, including a short temporal duration, a wide range of spatial scale, a random and empirical character, multi-phase of solid-liquid-gas-plasma composition, and strongly coupled physical parameters. This project is aimed to systematically investigate the self-consistent simulation of CS based on particle-in-cell direct-simulation Monte Carlo PIC-DSMC method. The plasma-wall interaction should be considered in the modeling of CS, because a remarking difference with gas discharge is that the electrode process is of vital importance in vacuum arcs. The heat, mass, and charge transfer inside the cathode body acts as an input for the particle modeling, in which movement and collisions of charged particles determine the action of CS. We are going to demonstrate the energy partition among cathode heating, neutral evaporation and electron emission from metal electrode, atom excitation and ionization in the plasma, and ion acceleration when an electrical impulse is applied to the vacuum arc ion sources. This research is beneficial to the optimization of ion sources with high efficiency and good performance.

真空弧放电在真空开关、镀膜、电推进、和离子源等领域得到广泛应用。阴极斑物理过程是影响离子源性能的关键因素，也是目前国内外学术研究的重点。流体模型通常采取分区域处理、粒子的速度分布函数近似等，仅限于描述阴极斑的某些特定过程。小型脉冲真空弧离子源的物理机制十分复杂，体现在作用时间短、空间跨度广、随机性强、物质状态丰富、多物理量耦合等特点。本项目研究基于粒子网格PIC和直接蒙特卡洛DSMC技术来自洽模拟阴极斑。掌握金属电极物理过程在阴极斑中的重要性，揭示等离子体与电极的相互作用机制，体现出与气体放电的粒子模拟不同的特点。深入探索作为粒子模拟输入条件的电极内部热量、电荷、和质量的传递过程；理解阴极斑演化时带电粒子的运动和碰撞反应过程。本研究将阐明在真空弧离子源脉冲能量馈入时，用于电极温升、粒子从金属释放、等离子体中原子激发电离、和离子加速的能量分配机制，从而对真空弧离子源的性能优化提供科学建议。

真空电弧放电在真空开关、材料镀膜、空间电推进、金属离子源等领域得到广泛应用。小型脉冲真空弧离子源的物理机制十分复杂，体现在作用时间短、空间跨度广、随机性强、多物理场耦合等特点。本项目针对真空电弧放电数值模拟，从无到有建立了PIC-DSMC/MCC数值模拟程序，形成了具备完全自主知识产权的核心程序代码，实现了电子-离子-原子(含激发态)-光子全粒子模拟“从头算”。对程序核心功能在验证与确认框架下进行了严格的收敛精度阶测试，并与国际上同类型程序的基准算例进行背靠背比对。与模拟程序配套，研制了金属粒子碰撞散射截面数据库，包含铜、钛、锆、铝、铬、镍、铅等元素，从经典和量子力学的碰撞截面理论评估了各向异性散射模型，可应用于真空电弧以及其它涉及金属蒸镀或稀薄金属等离子体领域的数值模拟。该数据库是现有的国内外相关行星大气和工业等离子体气体数据库之外的有效补充。基于PIC-DSMC程序实现了脉冲型真空电弧放电演化过程的数值模拟，准确给出了燃弧阶段的弧电压和阴极融蚀率等特征参数。建立了脉冲型真空电弧放电过程物理模型，特别是真空击穿的演化过程中等离子体与电极电路耦合过程的自洽建模；表界面热场发射关键过程的精细建模；离子源放电等离子体反应核心过程的直接建模。在国际上率先建立了金属-氘-电子的三流体多组分二维模型，深入研究了实际工程应用中金属氢化物真空弧离子源阴极斑射流膨胀和混合过程中存在的轻重离子分离现象。本项目发表APL(1)、IEEE TED(1)、PSST(2)、PoP(2)、JAP(2)等期刊论文22篇；参与国内外学术会议和论坛6 次，分别在北大、中科院、中物院学术论坛作为主讲嘉宾。J. Appl. Phys.主编A. Anders教授特邀项目负责人在该刊发表了主题为“粒子模拟阐释真空弧物理机理”的综述展望。依托项目毕业硕士研究生2名，在读硕士生1名，出站博士后1名。项目组开通运营了微信公众号plasma123，主要用于项目成果的科普性展示，吸引粉丝订阅关注150余人，分享阅读3000余次。