劉競業(yè) 張 明

（北京化工大學(xué)理學(xué)院 北京 100029）

冷陰極等離子體開關(guān)柵極設(shè)置的數(shù)值模擬分析

劉競業(yè) 張 明

（北京化工大學(xué)理學(xué)院 北京 100029）

為設(shè)計(jì)兼具閘流管和真空電子管優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)器件，利用 Xoopic軟件，采用有限時(shí)域差分法（FDTD）和YEE網(wǎng)格法，對(duì)所設(shè)計(jì)的開關(guān)器件的工作過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了源柵極和控制柵極的相對(duì)電位、源柵極和控制柵極的相對(duì)位置與柵孔直徑的關(guān)系以及電磁場分布等因素對(duì)預(yù)電離的產(chǎn)生和預(yù)電離區(qū)域穩(wěn)定性的影響，得到了電場對(duì)應(yīng)電壓為200～300V、磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.045～0.055T時(shí)，開關(guān)器件可維持穩(wěn)定預(yù)電離狀態(tài)的結(jié)果，同時(shí)確定了當(dāng)柵孔直徑為 1.2mm，兩柵極直徑之比小于0.9時(shí)，控制柵極能對(duì)器件的通斷起到有效控制作用的結(jié)論。

開關(guān) 脈沖 柵極 陰極 電離 數(shù)值模擬

1 引言

常用的高電壓開關(guān)器件有兩種：閘流管和真空電子管。在對(duì)電流的通斷控制過程中，它們有各自的特點(diǎn)，閘流管具有很強(qiáng)的負(fù)載能力，但是只能用于電流導(dǎo)通，而不能用于電流的截止；真空電子管對(duì)電流的通斷能起到很好的控制作用，但是它的負(fù)載能力不強(qiáng)。考慮到應(yīng)用的需要，有必要設(shè)計(jì)一種兼具閘流管和真空電子管優(yōu)點(diǎn)的器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)電流、高電壓脈沖的有效控制。在這種開關(guān)器件的研制中，筆者采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)所做的器件的柵極設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有效、定量的優(yōu)化。

2 柵極設(shè)計(jì)的理論依據(jù)及模擬方法

閘流管和真空電子管都是熱陰極器件，兩者陰極工作狀態(tài)的差別在于：閘流管陰極提供的電子用于器件內(nèi)部的氣體電離，進(jìn)而產(chǎn)生大量的等離子體作為載流子；而真空電子管直接利用陰極提供的電子作為載流子，因此閘流管的負(fù)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空電子管。由于它們都需要較大功率的加熱能量源來維持熱陰極的電子發(fā)射，因而與冷陰極器件[1]比較，它們的使用壽命相對(duì)有限。

鑒于上述原因，筆者設(shè)計(jì)的冷陰極開關(guān)器件的工作氣體為氫氣，為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通時(shí)應(yīng)具有的超強(qiáng)負(fù)載能力，利用了系統(tǒng)內(nèi)氣體電離時(shí)，在一定條件下所發(fā)生的雪崩倍增效應(yīng)來提供足夠的載流子。圖1為柱形開關(guān)器件的剖面示意圖。

圖1 開關(guān)器件示意圖Fig.1 Sketch map of the switching device

器件形狀為圓柱體[1]，z軸為系統(tǒng)的對(duì)稱軸，r軸為器件沿徑向的空間坐標(biāo)軸，從外到內(nèi)器件由冷陰極、源柵極、控制柵極和陽極四個(gè)部分組成，在柱面陰極外環(huán)繞著三組磁環(huán)。在器件預(yù)電離階段，冷陰極與網(wǎng)狀源柵極的主要作用是利用兩極間的電勢差，為游離電子的碰撞提供必要條件，為器件的預(yù)備導(dǎo)通提供一個(gè)穩(wěn)定的等離子體源。網(wǎng)狀控制柵極主要用來控制器件的導(dǎo)通和截止，當(dāng)施加反向電壓時(shí)，陰-柵區(qū)域?qū)⒕S持預(yù)電離狀態(tài)，器件處于截止；而施加正向電壓時(shí)，陰-柵區(qū)域?qū)⒀杆贀舸?，器件處于?dǎo)通狀態(tài)。陽極上一般施加一個(gè)高電壓。圖2為器件工作的等效電路圖，當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，分壓電阻R1使陽極電壓降低。

在氣體放電器件的設(shè)計(jì)中，一般利用帕邢定律[2]來判斷擊穿距離d與擊穿電壓Vb的關(guān)系，所依照的擊穿判據(jù)為

圖2 開關(guān)器件等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of the switching device

式中 γ—維持放電連續(xù)的相關(guān)系數(shù)，

d—?dú)怏w擊穿距離；

α —電子的碰撞電離系數(shù)。

由式（1）可得到判斷擊穿的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式[2]

式中，C1和C2由實(shí)驗(yàn)獲得[2]，當(dāng)電場強(qiáng)度與壓強(qiáng)比值在給定工作氣體所對(duì)應(yīng)的一定范圍內(nèi)，基本為常數(shù)。由式（2）可以判定，當(dāng)壓強(qiáng)p與氣體擊穿距離d乘積的最小值(pd)min約為0.5cm·Torr時(shí)（1Torr= 133.322Pa），擊穿電壓對(duì)應(yīng)極小值，大約幾百伏。然而對(duì)器件的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pd值取0.5cm·Torr左右，且對(duì)陰極-源柵極施加擊穿閾值電壓后，該區(qū)域并沒有產(chǎn)生氣體電離的現(xiàn)象。只有當(dāng)兩極間距大到一定程度，并且在電離源的作用下，陰-柵區(qū)域內(nèi)才會(huì)出現(xiàn)雪崩效應(yīng)。由湯森德理論[2]可知，在外界穩(wěn)定電離源的作用下，極板間的氣體被擊穿時(shí)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從湯森德放電到自持放電的過程，過程的完成伴隨雪崩效應(yīng)的發(fā)生。所以氣體電離的前提是要有足夠的電離源—電子，并且在電場的加速下，每個(gè)電子與氣體分子碰撞出的電子要足夠多。換一種說法，由于H2氣體中游離的電子很少，以這些游離電子作為電離源，就要求電子在兩極間運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均自由程足夠長，才可能滿足形成等離子體的條件。顯然，如果通過增加陰、柵兩極間距的方法來增加平均自由程，對(duì)具體應(yīng)用中所要求器件小型化來說是沒有實(shí)際意義的。

若在系統(tǒng)中引入磁場[1]以改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，則可以達(dá)到增加電子平均自由程的目的，使得碰撞幾率增大，而磁場和電場同時(shí)提供能量，有益碰撞電離，雪崩效應(yīng)易于發(fā)生。而這樣處理的設(shè)計(jì)，又不會(huì)明顯增加器件的幾何尺寸。

設(shè) E和 B分別表示電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，兩者均為空間坐標(biāo)的函數(shù)，那么能流密度E×B的取值顯然與碰撞電離的幾率成正比。由于氣體的擊穿過程非常迅速，在大約 10?7～10?8s內(nèi)就達(dá)自持放電階段，離子在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)沒有可觀察的位移，因此碰撞電離產(chǎn)生的離子視為聚集在能流密度大的區(qū)域內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)，而電離產(chǎn)生的大部分電子視為約束在這個(gè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。所以磁場的設(shè)定既可以控制電離的集中區(qū)域，又可以限定碰撞電離產(chǎn)生電子的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，這不僅有利于器件通斷過程的控制，而且對(duì)器件使用壽命的延長也具有實(shí)際意義。

在陰極外圍固定安裝的三組磁環(huán)，可以控制氣體電離集中發(fā)生在能流密度大的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，降低在器件彎邊、焊合處附近發(fā)生氣體放電的可能性。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，氣體電離集中發(fā)生在兩個(gè)垂直于軸向的磁環(huán)兩兩結(jié)合的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，大部分的電子也約束在這兩個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由此驗(yàn)證了器件設(shè)計(jì)的預(yù)期合理性。

湯森德放電理論的前提是：在只考慮電場的作用下，電子發(fā)生碰撞前的平均自由程要求足夠大。由此看來，在引入磁場后，基于湯森德理論推導(dǎo)出的帕邢定律，對(duì)于電場和磁場同時(shí)存在的情況，不能簡單的引用，須作必要的修正。

考慮到閘流管只能導(dǎo)通而不能截止的原因在于：當(dāng)陰-柵區(qū)域發(fā)生預(yù)電離后，大量的等離子體會(huì)通過柵網(wǎng)擴(kuò)散到陽-柵區(qū)域，此時(shí)通過改變柵極電壓將會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)空間的氣體擊穿；根據(jù)湯森德的電子放電通道發(fā)展理論[2]，氣體擊穿時(shí)電子放電通道將從陰極延伸到陽極，其間的柵極將對(duì)電子放電通道無任何控制作用，所以閘流管無法通過柵極來控制電流的截止。要實(shí)現(xiàn)大功率電路的通斷控制，開關(guān)器件的設(shè)計(jì)必須滿足：①電離區(qū)域始終限定在陰-柵區(qū)域內(nèi)，即陽-柵區(qū)域不允許發(fā)生氣體擊穿；②源柵極只起到在陰-柵區(qū)域預(yù)電離的作用；③控制柵極能夠控制氣體的擊穿，并且將形成的電子放電通道限制在陰-柵區(qū)域內(nèi)，同時(shí)其又能對(duì)電子放電通道起到截?cái)嗟淖饔?，從而能?duì)大電流的導(dǎo)通和截止進(jìn)行控制；④系統(tǒng)導(dǎo)通時(shí)要求通過柵孔進(jìn)入柵-陽區(qū)域的電子作為載流子，數(shù)量要大到相當(dāng)?shù)某潭龋赃_(dá)到在陰、陽極間通導(dǎo)大電流的目的。

圖 3為氣體放電各階段的示意圖[2]，橫軸為電流對(duì)數(shù)，縱軸為電壓。陰-柵區(qū)域預(yù)電離時(shí)，應(yīng)穩(wěn)定在自持放電階段，為氣體的快速擊穿提供充分的等離子體源，當(dāng)氣體擊穿時(shí)，陰-柵區(qū)域只有處于輝光放電與反常輝光放電范圍內(nèi)，器件導(dǎo)通才有較大的負(fù)載能力，工作狀態(tài)才會(huì)穩(wěn)定。如果其處于弧光放電區(qū)，則器件放電電流不穩(wěn)定，抖動(dòng)會(huì)非常明顯，同時(shí)伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，器件內(nèi)部溫度急劇上升，最終會(huì)導(dǎo)致器件的燒毀。

圖3 氣體放電各階段示意圖Fig.3 Sketch map of various stage on gas discharge

源柵極的設(shè)置關(guān)系到器件能否穩(wěn)定地處于預(yù)電離狀態(tài)，而良好的預(yù)電離狀態(tài)又是器件控制導(dǎo)通的前提條件。利用Xoopic軟件[3-6]對(duì)陰-柵區(qū)域的工作狀態(tài)進(jìn)行了模擬，分析了在電磁場的作用下該區(qū)域內(nèi)的氣體電離產(chǎn)生等離子體的過程，為開關(guān)器件的合理設(shè)計(jì)提供了必要的理論依據(jù)。

陰-柵區(qū)域內(nèi)的帶電粒子，在電磁場中的運(yùn)動(dòng)滿足Maxwell方程組。而巨粒子（Particle-In-Cell，PIC）模擬方法[3-5,7-9]就是根據(jù) Maxwell方程組模擬粒子運(yùn)動(dòng)的，因此在確定的邊界條件下，通過PIC方法模擬帶電粒子與電磁場的相互作用，并在柱坐標(biāo)（z，r）中引入Yee網(wǎng)格法[9-11]，將陰-柵區(qū)域劃分為J× K個(gè)網(wǎng)格。圖4表示帶電粒子在任意兩個(gè)相鄰網(wǎng)格中的運(yùn)動(dòng)，橫軸為z向的網(wǎng)格數(shù)，縱軸為r向網(wǎng)格數(shù)。網(wǎng)格可表示為（j，k）、（j+1，k），其中1≤j≤J、1≤k≤K；A為帶電粒子的初始位置，B為帶電粒子經(jīng)過Δt時(shí)間間隔后所處的位置。帶電粒子的移動(dòng)會(huì)改變網(wǎng)格邊界的電流密度分布，迭代入方程組就能分析該區(qū)域內(nèi)的帶電粒子分布情況。表示第n個(gè)帶電粒子的初始位置A相對(duì)于格點(diǎn)（k，j）位矢的兩個(gè)分量，和表示位置B相對(duì)于格點(diǎn)（k，j）位矢的兩個(gè)分量，定義為則經(jīng)過Δt時(shí)間間隔，當(dāng)電量為q的粒子從A移動(dòng)到B時(shí)，由于電磁場的作用，引起網(wǎng)格（j，k）四個(gè)格點(diǎn)處的電荷發(fā)生了變化[3]：

圖4 帶電粒子在網(wǎng)格中的運(yùn)動(dòng)Fig.4 Motion of charged particles in the meshes

考慮到式（3）中給出的電荷變化關(guān)系必須滿足電荷守恒，因而由于格點(diǎn)電荷的變化在網(wǎng)格邊界應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電流，定義沿z軸的電流為I1，沿r軸的電流為I2，則有對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]如下：

利用有限時(shí)域差分法[9,11-15]，將粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流項(xiàng)與外加電流項(xiàng)迭代入Maxwell方程組，再計(jì)算其對(duì)邊界范圍內(nèi)的所有PIC粒子運(yùn)動(dòng)的影響。通過多次的迭代運(yùn)算，就能對(duì)陰-柵區(qū)域內(nèi)氣體電離情況進(jìn)行合理的模擬分析，通過軟件的圖形處理可以得到帶電粒子的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)行為圖，進(jìn)而可判斷該區(qū)域能否形成電子放電通道，以及通道能否發(fā)展；通過獲得的粒子數(shù)分布圖可判斷該區(qū)域的氣體能否完成預(yù)電離，以及預(yù)電離是否穩(wěn)定。

3 模擬結(jié)果及分析

源柵極和控制柵極為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，兩者之間孔的位置錯(cuò)開，這樣可屏蔽陽極產(chǎn)生的電場對(duì)陰-柵區(qū)域的影響，也即使得陽極高電壓對(duì)陰-柵區(qū)域的場分布沒有明顯的作用。但源柵極不能完全屏蔽控制柵電壓對(duì)陰-柵區(qū)域的影響，即控制柵極電位的影響，很容易作用于陰-柵區(qū)域，當(dāng)兩柵極間距合理設(shè)置時(shí)，將使得該區(qū)域發(fā)生氣體擊穿。為了分析源柵極對(duì)預(yù)電離的影響，必須將控制柵的作用限定在一定范圍，因而在模擬程序的設(shè)定中，兩柵極間距取值較大，從而忽略控制柵極對(duì)場分布的影響。

考慮到預(yù)電離發(fā)生時(shí)，所形成的電子放電通道處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，電子數(shù)密度會(huì)有一定的漲落起伏，這將影響各狀態(tài)間的比較；而質(zhì)量很大的離子移動(dòng)緩慢，變化幅度很小，因而筆者以離子數(shù)密度的峰值為標(biāo)準(zhǔn)，來比較不同磁場和不同電壓條件下的源柵極對(duì)預(yù)電離的影響。不同的電場和磁場，會(huì)導(dǎo)致帶電粒子數(shù)密度的峰值分布以及電子放電通道的發(fā)展差別很大，具體分析可將陰-柵區(qū)域的放電情況歸為四種（圖中各量的單位為國際單位）。

3.1 無法發(fā)生預(yù)電離的模擬情況

由圖 5可以看出，在游離電子的作用下，陰-柵區(qū)域的氣體在 10?7s內(nèi)完成湯森德放電，但由于缺乏穩(wěn)定的電離源，該區(qū)域無法產(chǎn)生自持放電，在5×10?7s放電停止。雖然在此過程中產(chǎn)生了電子放電通道，但是電磁場提供的能量無法維持通道的穩(wěn)定，該區(qū)域內(nèi)的氣體無法完成預(yù)電離，器件工作在這個(gè)狀態(tài)下將無法導(dǎo)通。圖6和圖7為放電過程粒子數(shù)變化的數(shù)值模擬結(jié)果，圖中所示帶電粒子數(shù)密度相當(dāng)小，盡管如此，仍能看出該過程的發(fā)展方向是由強(qiáng)到弱，直至電子和離子消失，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1和表2。表中U為加于陰極與源柵極間的電勢差，N表示離子數(shù)密度峰值。

圖5 在0.025T、400V模擬條件下粒子數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 The number of particles changing with time at 0.025T、400V

圖6 在0.025T、400V模擬條件下離子聚集的變化Fig.6 The change in ion concentration at 0.025T、400V

圖7 在0.025T、400V模擬條件下電子放電通道的變化Fig.7 The change in the electronic discharge channel at 0.025T、400V

表1 磁場B=0.025T條件下電場的變化對(duì)預(yù)電離粒子密度的影響Tab.1 Preionization density of particles with change of the electric field at B=0.025T

表2 磁場B=0.03T條件下電場的變化對(duì)預(yù)電離粒子密度的影響Tab.2 Preionization density of particles with change of the electric field at B=0.03T

3.2 發(fā)生穩(wěn)定預(yù)電離的模擬情況

由圖 8知，當(dāng)所加的電磁場能提供足夠的能量時(shí)，陰-柵區(qū)域的氣體能夠達(dá)到自持放電，此時(shí)所產(chǎn)生的電子放電通道將維持在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但并不繼續(xù)向陰極發(fā)展，可見該區(qū)域內(nèi)的氣體發(fā)生了穩(wěn)定的預(yù)電離，能為器件進(jìn)一步的導(dǎo)通提供足夠的電離源，增強(qiáng)了器件的可控性和穩(wěn)定性。圖9、圖10為放電過程帶電粒子數(shù)變化的數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出，這個(gè)過程形成了電子放電通道，且電磁場的合理配置，使得放電通道具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定預(yù)電離的情況，對(duì)應(yīng)模擬所取的相關(guān)數(shù)據(jù)為：B=0.05T時(shí)，取 U=200V，有 N= 6.9×1013個(gè)/m3；取U=300V，有N=2.2×1014個(gè)/m3；B=0.06T時(shí)，取 U=200V，有 N=6.9×1013個(gè)/m3，但取U=300V，則N＞6×1017個(gè)/m3，陰極-源柵極擊穿。

圖8 0.05T、300V模擬條件下粒子數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.8 The number of particles changing with time at 0.05T、300V

圖9 0.05T、300V模擬條件下離子集聚的變化Fig.9 The change in ion concentration at 0.05T、300V

圖10 0.05T、300V模擬條件下電子放電通道的形成Fig.10 The formation of electronic discharge channel at 0.05T、300V

3.3 數(shù)值模擬輝光放電對(duì)應(yīng)的氣體擊穿

由圖 11～圖 13可以看出，電磁場提供的能量足夠電子放電通道發(fā)展到陰極，從而導(dǎo)致陰-柵區(qū)域氣體擊穿，自持放電被打破，放電電流急劇增加，放電逐漸轉(zhuǎn)化為大面積的輝光放電和反常輝光放電，在實(shí)際應(yīng)用中此種情況對(duì)應(yīng)著器件的導(dǎo)通，但在導(dǎo)通信號(hào)未加入時(shí)，器件是不允許導(dǎo)通的。當(dāng)B=0.05T，U≥350V，或B=0.06T，U≥300V均為這種情況的對(duì)應(yīng)條件，這時(shí) N＞6.9× 1017個(gè)/m3。

圖13 0.05T、350V模擬條件下電子放電通道的形成Fig.13 The formation of electronic discharge channel at 0.05T、350V

3.4 數(shù)值模擬弧光放電對(duì)應(yīng)的氣體擊穿

據(jù)圖14，當(dāng)B=0.05T，1000V≤U≤2000V時(shí)，電場作用比磁場作用強(qiáng)，導(dǎo)致電子放電通道無法自發(fā)地發(fā)展到陰極，但是電磁場提供的能量足夠離子與陰極碰撞產(chǎn)生二次電子發(fā)射[16]，由圖15、圖16可以看出在很短的時(shí)間內(nèi)大量的二次電子從陰極發(fā)出并與電子放電通道相結(jié)合，將陰-柵極連接起來，從而引起該區(qū)域內(nèi)氣體擊穿。由于有二次電子發(fā)射參與的放電電流很大，在此過程中，氣體將以弧光放電為主，大量熱效應(yīng)的發(fā)生使器件工作不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象。

圖14 0.05T、1000V模擬條件下粒子數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.14 The number of particles changing with time at 0.05T、1000V

圖15 0.05T、1000V模擬條件下離子集聚的變化Fig.15 The change in ion concentration at 0.05T、1000V

圖16 0.05T、1000V模擬條件下電子放電通道的形成Fig.16 The formation of electronic discharge channel at 0.05T、1000V

從上述圖形看出，模擬結(jié)果可以用電子放電通道的發(fā)展理論給以合理的解釋：在外電場和磁場的作用下，氫氣中的游離離子和電子參與了預(yù)電離的過程，形成了一個(gè)自源柵極起逐漸向陰極發(fā)展的電子放電通道，此時(shí)陰-柵區(qū)域處于自持放電階段，由于通道形成時(shí)間比較短（大約 10?7～10?8s），碰撞電離產(chǎn)生的離子幾乎沒有移動(dòng)，因而離子表現(xiàn)為聚集在電子放電通道。當(dāng)源柵極無法提供足夠的電場以供電子放電通道的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)控制柵極提供的反向電壓又會(huì)阻礙電子放電通道的發(fā)展，此時(shí)通道將無法連接陰、柵極形成該區(qū)域內(nèi)的氣體擊穿，而是長時(shí)間維持動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)器件處于預(yù)電離狀態(tài)；當(dāng)在控制柵施加大的正向電壓時(shí)，電子放電通道將獲得足夠的能量迅速發(fā)展到陰極，從而導(dǎo)致氣體擊穿，器件開始導(dǎo)通。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

當(dāng)開關(guān)裝置工作時(shí)，兩個(gè)柵極的電壓可以通過外部電路來進(jìn)行有效的調(diào)整。筆者在數(shù)值模擬所采用的設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，制作了具有相同幾何尺寸、并處在相仿工作環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)開關(guān)裝置，通過調(diào)整對(duì)應(yīng)的源柵極電壓，對(duì)數(shù)值模擬工作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于源柵極在預(yù)電離中的重要性，在數(shù)值模擬中，側(cè)重考慮了源柵極對(duì)預(yù)電離狀態(tài)的影響，并根據(jù)產(chǎn)生的等離子體密度來判斷裝置是否具有導(dǎo)通大電流的能力。而在實(shí)際工作中，起到控制開關(guān)裝置導(dǎo)通作用的是控制柵極，當(dāng)其維持為負(fù)壓時(shí)裝置處于預(yù)電離階段，其電壓逐漸增加時(shí)將引起裝置的導(dǎo)通。即只有在設(shè)計(jì)的裝置具有導(dǎo)通能力的前提下，通過改變控制柵極電壓才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。

因此，在數(shù)值模擬中討論的前三種不同狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的源柵極電壓條件下，通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置控制柵極的電壓值，由觀察陰極-控制柵極間電流的變化，可判斷開關(guān)裝置能否實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。據(jù)開關(guān)裝置在電路中的通斷狀態(tài)可知，當(dāng)裝置導(dǎo)通時(shí)，伴隨著陰-陽極間的電流逐漸增大，兩極間的電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)急劇降低的過程，因此電壓-電流關(guān)系將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)躍變。而由于柵極的透明度一定，陰極-控制柵極間的電壓電流變化關(guān)系 UGC-IGC也將與之一致，并更易于觀察，所以只要 UGC-IGC出現(xiàn)躍變，就表示裝置導(dǎo)通。

4.1 無法發(fā)生預(yù)電離的實(shí)驗(yàn)情況

圖17表示在0.025T、400V條件下裝置的實(shí)際工作情況。由圖17可以看出，當(dāng)控制柵極電壓增加到2000V以上時(shí)，UGC-IGC關(guān)系未出現(xiàn)躍變，因此實(shí)驗(yàn)說明開關(guān)裝置不能發(fā)生導(dǎo)通。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，在該參數(shù)設(shè)定下裝置是無法發(fā)生預(yù)電離的，因而也說明了裝置無法導(dǎo)通，即數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致；陰-源柵極電流最大為10mA，考慮到柵極透明度的影響，隨著UGC的增長，IGC將不超過5mA。

4.2 發(fā)生穩(wěn)定預(yù)電離的實(shí)驗(yàn)情況

圖 18表示在 0.05T、300V條件下開關(guān)裝置的實(shí)際工作情況。圖中UGC-IGC在550V附近出現(xiàn)了一個(gè)小的躍變，之后保持了一個(gè)較好的線性增長的情況，說明裝置發(fā)生了導(dǎo)通，且工作狀態(tài)比較穩(wěn)定。與之對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果認(rèn)為該參數(shù)設(shè)定下裝置能發(fā)生穩(wěn)定的預(yù)電離，陰-源柵極預(yù)電離電流在 4mA附近，隨著UGC的增長，IGC能達(dá)到20mA。

圖18 在0.05T、300V條件下UGC-IGC變化關(guān)系Fig.18 The relationship between UGCand IGCat 0.05T、300V

4.3 實(shí)驗(yàn)中輝光放電對(duì)應(yīng)的氣體擊穿

圖 19表示在 0.05T、350V條件下裝置的實(shí)際工作情況。由圖19可以看出，控制柵極電壓在530V附近出現(xiàn)一個(gè)很大的躍變，之后當(dāng)電壓增大到800V左右時(shí)（圖中未標(biāo)出），裝置抖動(dòng)比較大，放電狀態(tài)不穩(wěn)定。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，在該參數(shù)設(shè)定下裝置極易被擊穿，當(dāng)UGC增大時(shí)，IGC很快達(dá)到20mA，該設(shè)定值將不能作為裝置的穩(wěn)定工作參數(shù)。

圖19 在0.05T、350V條件下UGC-IGC變化關(guān)系Fig.19 The relationship between UGCand IGCat 0.05T、350V

當(dāng)源柵極電壓超過1000V時(shí)，裝置極容易發(fā)生大量的二次電子發(fā)射和陰極濺射，從而燒毀器件，而 0.05T、1000V條件下的模擬結(jié)果很好地驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）陰-柵區(qū)域的預(yù)電離對(duì)器件的通導(dǎo)有決定性的影響，通過對(duì)源柵極的設(shè)置所進(jìn)行的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電場和磁場設(shè)定在一個(gè)合適的范圍內(nèi)（電壓200～300V，磁感應(yīng)強(qiáng)度0.045～0.055T）時(shí)，可以使預(yù)電離維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝置穩(wěn)定工作時(shí)陰-源柵極預(yù)電離電流在 20～50mA，所測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬所得基本符合；同時(shí)，陰-控制柵極之間電壓隨電流的變化關(guān)系與數(shù)值模擬分析所得結(jié)果非常吻合。

（3）當(dāng)柵孔直徑D=1.2mm，兩柵極直徑之比滿足D/D′≥1.8時(shí)，控制柵極產(chǎn)生的電場將幾乎完全被源柵極屏蔽，從而不能對(duì)器件的導(dǎo)通起到控制作用；而D/D′≤0.9時(shí)，源柵極無法屏蔽控制柵極的作用，即控制柵極能對(duì)器件的通斷起到有效的控制作用。

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Numerical Simulation on the Grid of Plasma Switch With Cold Cathode

Liu Jingye Zhang Ming
（Beijing University of Chemical Technology Beijing 100029 China）

In order to design a switch device that is provided with the advantages of the thyratron and the hard tube, with Xoopic software, FDTD and YEE mesh method are used for numerical simulation on the active process of the switch device. It is laid particular emphasis on the analysis that the emergence of preionization and stability of preionization region which are influenced by electric potential difference between source grid and control grid, relation of relative position on two grids and hole diameter of grids, and distribution of electrical magnetic field, etc.. A result is obtained that the switching device can maintain a stable pre-ionization state when the corresponding voltage of electric field is between 200V and 300V, also when magnetic induction density of magnetic field is between 0.45T and 0.55T. It is known that if the grid aperture is 1.2mm and the radio of the two grid diameters is less than 0.9, the control grid can play an effective role in the control for working process of the switching device.

Switch, pulse, grid, cathode, ionization, numerical simulation

TN132

劉競業(yè) 男，1953年生，副教授，研究方向?yàn)椴牧细男?、氣體放電物理及脈沖技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50877003）。

2009-11-10 改稿日期 2010-05-25

張 明 男，1986年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闅怏w放電及脈沖技術(shù)。