空心阴极离子源等离子体的多尺度非平衡态UGKS方法数值模拟研究

Physical process of hollow cathode plasma is very complex, involving high energy electron multi-scale and non-equilibrium process, to carry out the numerical simulation of related research is helpful to deepen the understanding of the mechanism, improving relevant ion source device design. In hollow cathode non-fully ionized plasma of multi-scale and non-equilibrium phenomenon, this paper proposes a UGKS method to simulate it and develops a non-fully ionized plasma numerical simulation code based on UGKS method. The method is based on the average particle collision time, the realization of high-energy electrons from the particles in the hollow cathode emission to a continuous flow of multi-scale space phenomenon of the unified form, without the need to use different methods. This method is superior to the current method of hybrid fluid methode, non-equilibrium Extend fluid method, PIC - MCC simulation methods, in the guarantee the calculation accuracy at the same time, realize the rapidity of the algorithm.

空心阴极等离子体中的物理过程很复杂，涉及到高能电子的多尺度和非平衡过程，开展相关的数值模拟研究有利于加深对其作用机理的认识，改善相关离子源器件设计。针对目前空心阴极非完全电离等离子体的多尺度和非平衡现象，提出了一种采用UGKS方法进行数值模拟研究的思路，发展基于UGKS方法的非完全电离等离子体数值模拟程序，研究空心阴极非完全电离等离子体的多尺度和非平衡现象。该方法基于粒子的平均碰撞时间，实现对空心阴极中高能电子从粒子发射到连续流的空间多尺度现象进行统一形式的描述，而不需要采用不同的研究方法。该方法有望优于目前的混合流体方法、非平衡Extend流体方法、PIC-MCC模拟方法，在保证计算精度的同时，实现算法的快速性。

等离子的相互作用过程非常复杂,其中的关键物理过程涉及到众多的空间多尺度效应和电子的非平衡态过程,对这些过程开展相关的数值模拟研究有利于在低成本,较短的时间内加深对相关物理机理的认识,进而改善相关器件的设计。本项目主要针对空心阴极中的等离子体的空间多尺度和非平衡态现象提出了一种采用UGKS方法进行数值模拟研究的思路，发展基于UGKS方法的等离子体数值模拟程序。首先我们对气体的电离过程进行了建模解耦，对电离过程中的粒子和场分开处理，其中带电粒子和中性粒子的碰撞部分采用UGKS方法描述；而场的演化则是基于目前的有限元方法，场与粒子间的耦合通过粒子的加速度项来实现，从而达成在数学模型上描述粒子在电场下加速的物理过程，而不需要使用Maxwell分布函数来近似等离子中的高能电子。其次我们Fortran代码分别实现了上述数值计算思路，对中性粒子演化部分，我们使用了SOD模型测试代码的准确性，测试结果表明在低Kn值下，该代码的解与欧拉方程理论解相符，而在高Kn值时，该代码的数值解体现了粒子自由扩散的特性，表明了中性粒子部分初步实现了对平衡态和非平衡态物理过程的统一计算。第三，使用Fortran代码实现了电磁场的求解，使得该程序在未来有更大的应用范围；同时，对电磁场模块的基准测试表明，电磁场模块在2D情况下有较为严重的色散，我们使用了多种手段抑制了电磁场模块的色散。第四，实现了电磁场与中性粒子的初步耦合，而计算案例也表明了该耦合实现了初步的成功。此研究对计算等离子体领域非平衡态过程的研究提供了新的思路，对未来实现对等离子体非平衡态的快速计算提供了理论依据，具有重要的意义。