吳撼宇 曾正中 邱孟通 張信軍 郭寧 魏浩

(西北核技術(shù)研究院，強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024)

1 引 言

多層真空磁絕緣傳輸線(magnetically iInsulated transmission lines,MITLs)是大型脈沖功率驅(qū)動源的重要部件,可傳輸和匯聚高功率脈沖.位于MITLs末端的柱-孔匯聚結(jié)構(gòu)(post-hole convolute,PHC)可將多路高功率脈沖合并為一路.合并后的高功率脈沖再經(jīng)一段圓盤傳輸線被饋送至負(fù)載.PHC不僅廣泛應(yīng)用于大型脈沖功率源[1-3],甚至在下一代大型脈沖功率驅(qū)動源的概念設(shè)計(jì)中仍得以應(yīng)用[4,5].

然而在高電壓(MV量級)大電流(10 MA量級)運(yùn)行條件下,PHC附近存在大量的電流損失.當(dāng)Z裝置的堆棧電流達(dá)到22 MA時(shí),PHC附近損失電流的峰值達(dá)到4 MA,損失比例達(dá)到18%[6,7].“聚龍一號”裝置能夠輸出前沿75-600 ns,電流峰值值5-10 MA的脈沖電流.該裝置PHC附近同樣發(fā)現(xiàn)了大約330-743 kA的電流損失[3].

MITLs以及PHC電極表面等離子體復(fù)雜的運(yùn)動特性(空間粒子密度、粒子種類、漂移速度)是理解其宏觀參數(shù)(電壓、電流、阻抗)變化特性的關(guān)鍵.等離子體鞘層的邊界可視為“虛電極”,陰極等離子體和陽極離子的鞘層邊界的運(yùn)動會縮短陰陽極間隙的距離,從而降低間隙等效阻抗,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致間隙阻抗崩潰.因此通過對等離子體運(yùn)動進(jìn)行仿真研究獲得其運(yùn)動特性,有助于PHC的設(shè)計(jì)和性能評估.通常采用3維粒子(PIC)仿真運(yùn)算方法以研究PHC的電極表面等離子體動力學(xué)特性[8-19].當(dāng)陰極僅發(fā)射電子時(shí),MITLs能夠有效地傳輸高功率脈沖[9-18].然而,陰極發(fā)射等離子體時(shí),MITLs的工作特性便發(fā)生顯著的改變.陰極等離子體會逐漸靠近陽極而縮短陰陽極間隙,最終使得陰陽極閉合,導(dǎo)致電流損失.擁有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電磁場的PHC更是電流損失的重災(zāi)區(qū)[9-13].

現(xiàn)有的仿真計(jì)算中,陰極等離子體成分通常為電子、離子和中性氣體[9-13],認(rèn)為陰極等離子體因其內(nèi)部壓力而產(chǎn)生的擴(kuò)展運(yùn)動是導(dǎo)致間隙減小或閉合的重要因素.仿真研究并未涵括陰極等離子體含有負(fù)離子的情況,未能深入細(xì)致地研究其運(yùn)動特性以及對PHC電流損失的影響.然而實(shí)驗(yàn)表明陰極附近同樣能生成負(fù)離子[20-22],且由于具有質(zhì)量大、負(fù)極性等特點(diǎn),負(fù)離子更容易到達(dá)陽極.本文構(gòu)建了一個含有負(fù)離子的陰極等離子體發(fā)射模式,并比較了幾種發(fā)射模式對PHC電流傳輸特性的影響,初步探索了PHC附近空間等離子體的運(yùn)動特性.

2 單孔PHC的3維電磁模型

2.1 幾何模型

圖1展示的是用于仿真計(jì)算的單孔PHC幾何模型結(jié)構(gòu)示意圖.單孔PHC連接著負(fù)載和三板傳輸線,負(fù)責(zé)將三板傳輸線傳輸?shù)母吖β拭}沖匯聚傳輸至負(fù)載.仿真計(jì)算時(shí),主要關(guān)注傳輸線平直部分,而傳輸線弧形過渡段僅用以饋入脈沖功率信號,不是本文研究的重點(diǎn).該模型的幾何結(jié)構(gòu)與在“強(qiáng)光一號”加速器上實(shí)驗(yàn)的單孔PHC完全一致.

三板傳輸線陰極的幾何形狀為三角形平板陰極,底寬為200 mm,長度為263 mm,張角約為42°,厚度為16 mm.PHC附近寬度最短約為18 mm.陽極分為上、下陽極板,寬度皆為350 mm,上陽極板長為250 mm,下陽極板長為150 mm.三板傳輸線陰陽極間距為10 mm.圖1中,陽極柱直徑約為8 mm.陽極柱穿過陰極孔,將上、下陽極板連接起來.圖中陰極孔直徑為20 mm.負(fù)載和陰極孔的中心距離為54 mm.短路負(fù)載是一個直徑為20 mm的銅桿.

2.2 仿真設(shè)置

為了較理想地引入電壓信號,在圖1中單孔PHC的右方引入同軸饋電結(jié)構(gòu).在饋電結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)置恰當(dāng)?shù)慕殡姵?shù),確保驅(qū)動源阻抗總是等于饋電結(jié)構(gòu)的特征阻抗.仿真過程中為貼近實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果,饋電結(jié)構(gòu)區(qū)域的等效特性阻抗設(shè)為0.75 Ω,等效“強(qiáng)光一號”加速器輸出阻抗.負(fù)載設(shè)置為一個電阻介質(zhì)構(gòu)成的圓柱體,圓柱體兩端連接到陰極和陽極連接板,設(shè)置介質(zhì)電阻率使得負(fù)載等效電阻為0.3 Ω.

仿真采用常用的Vsim專業(yè)PIC仿真軟件.為了保證計(jì)算的精確度和穩(wěn)定性,時(shí)間步長需滿足電子回旋頻率和時(shí)間步長的乘積小于2的條件[8].基于服務(wù)器有限的計(jì)算能力,為確保模型能有效地開展運(yùn)算,經(jīng)多次驗(yàn)算,設(shè)定時(shí)間步長為1.3 ps (總時(shí)長為130 ns),網(wǎng)格寬度為1 mm (網(wǎng)格數(shù)量為108),宏粒子權(quán)重為7×109.

仿真計(jì)算主要關(guān)注柱-孔結(jié)構(gòu)附近等離子體的演化特性,因此設(shè)置粒子發(fā)射區(qū)域時(shí)有所側(cè)重:1)電子發(fā)射區(qū)域?yàn)殛帢O平直段所有表面; 2)陰極等離子體發(fā)射區(qū)域?yàn)殛帢O孔及其附近平面區(qū)域.電極發(fā)射粒子種類主要有電子、離子(H+)以及負(fù)離子(H-)[20,21].此三類粒子是MITL電極等離子體發(fā)射模型[8]中較為重要的成分.

通常的陰極等離子包含了電子、中性氣體和離子,很少討論其中有負(fù)離子時(shí)的情況.本文對陰極負(fù)離子的運(yùn)動過程和作用進(jìn)行探索性研究.仿真過程忽略中性氣體的運(yùn)動和電離以及粒子之間的碰撞等復(fù)雜物理過程,重點(diǎn)關(guān)注含有負(fù)離子的等離子體充滿PHC陰陽極間隙對PHC電流傳輸效率的影響.陰極發(fā)射電子的電場閾值為240 kV/cm,其發(fā)射模型遵循理想的SCL模型.考慮到電極表面中性氣體的脫附率0.003-0.25 mL/ns[8],本文假設(shè)中性氣體的注入率為0.01 mL/ns,且全部均勻電離,意味著在臨近電極表面的第一個網(wǎng)格中等離子體的注入率為1013cm-2/ns.依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[20,21],負(fù)離子的發(fā)射模型發(fā)射電流密度遵循

其中J為陰極面電流密度(單位為kA/cm);j-為陰極負(fù)離子的電流密度(單位為A/cm2).在仿真過程中保持等離子體引起的流向陰極的離子流與電子發(fā)射的電子流以及陰極負(fù)離子運(yùn)動引起的電流之和相當(dāng),以確保電荷守恒.

仿真計(jì)算時(shí),采用的前行電壓波形是一個梯形脈沖,如圖2所示,以此模擬加速器輸出電壓波形.電壓幅值為1 MV,信號前/后沿皆為30 ns,電壓脈寬為100 ns,接近加速器輸出電壓波形參數(shù).另外,圖1中單孔PHC的左邊是開放結(jié)構(gòu),陰陽極間隙中的電子及其他帶電粒子會漂移出單孔PHC.因此為避免極端情況出現(xiàn),在開放區(qū)域設(shè)置了“完美匹配層邊界”,認(rèn)為所有到達(dá)邊界的帶電微粒都被吸收,不再影響單孔PHC內(nèi)部空間的電磁場.

圖2 仿真計(jì)算時(shí)饋入的理想電壓信號Fig.2.The forward voltage waveform used in simulation.

3 仿真結(jié)果

3.1 陰極發(fā)射電子

圖3展示了單孔PHC上/下游陽極電流的波形,其中損失電流為上/下游電流的差值.可以看到,上游電流和下游電流幾乎完全重合,僅在電流起始附近有少許差別,其最大值約為23 kA.損失電流僅在電流起始附近較為明顯,是因?yàn)樵陔娮影l(fā)射初期,單孔PHC以及三板傳輸線還未建立磁絕緣狀態(tài),因此有部分電子直接到達(dá)陽極.這種損失的電子流,稱為電流的前沿?fù)p失.磁絕緣初始時(shí)刻空間電子的行為特性已有大量的研究資料[1,8-16],本文不再詳細(xì)分析.

圖3 陰極發(fā)射電子時(shí),單孔PHC的上/下游電流Fig.3.The upstream and the downstream currents of the single-hole PHC while the cathode emitted only electrons.

仿真結(jié)果表明當(dāng)傳導(dǎo)電流大于百千安時(shí),本文設(shè)計(jì)的單孔PHC及其傳輸線結(jié)構(gòu)已能形成良好的磁絕緣狀態(tài).因此在“強(qiáng)光一號”加速器(約1 MV,1.5 MA)上實(shí)驗(yàn)時(shí),該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到磁絕緣狀態(tài).

因此,當(dāng)陰極僅發(fā)射電子時(shí),單孔PHC結(jié)構(gòu)能夠有效傳輸電流并不存在顯著電流損失.這表明電子并非導(dǎo)致PHC電流損失的主要因素.

3.2 陰極發(fā)射等離子體

當(dāng)陰極發(fā)射等離子體,即電子和離子(H+)時(shí),單孔PHC的傳輸特性發(fā)生明顯的變化.圖4展示了單孔PHC上/下游電流及損失電流.圖4和圖3相比,傳導(dǎo)電流幅值略有增加.損失電流波形則完全不同.圖4中損失電流在20 ns附近有明顯的峰值.此時(shí),電極表面附近電場強(qiáng)度超過240 kV/cm.因此可以認(rèn)為該峰值屬于電子流前沿?fù)p失.然后,損失電流幅值稍下降繼而緩慢增加,直至100 ns其幅值再度上升到10 kA左右.雖然電流峰值處損失程度僅達(dá)到1%左右,但與2.1的仿真結(jié)果相比,電流損失現(xiàn)象是明顯的.

圖4 陰極發(fā)射等離子體時(shí),單孔PHC的上/下游電流Fig.4.The upstream and the downstream currents of the single-hole PHC while the cathode emitted electrons and ions.

圖5展示了不同時(shí)刻,陰極等離子體在陰陽極空間的分布.圖5(a)中,藍(lán)色箭頭表示功率傳輸方向.功率脈沖由下方進(jìn)入PHC,經(jīng)匯聚后繼續(xù)傳播至負(fù)載.在大約15 ns左右,陰極開始發(fā)射電子,此時(shí)也開始出現(xiàn)質(zhì)子.隨后電子很快彌漫整個陰陽極空間,而質(zhì)子由于電場力的作用被束縛在陰極孔附近.隨著時(shí)間推進(jìn),質(zhì)子開始慢慢向陽極運(yùn)動,且質(zhì)子明顯地聚集在紅色箭頭所指的區(qū)域,而該區(qū)域相比其他區(qū)域磁場強(qiáng)度相對較高.最后和電子一樣,質(zhì)子也逐漸填充滿整個間隙,從而導(dǎo)致陰陽極間隙閉合,引起電流損失.由于本文介紹模型自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有部分電子和質(zhì)子在電磁力作用下漂移出PHC附近區(qū)域.在分析過程中,認(rèn)為這部分粒子的損失并不對PHC間隙閉合有明顯影響.

圖5 柱-孔附近等離子體隨時(shí)間運(yùn)動分布的二維圖,紫色代表電子,黃色代表質(zhì)子(橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)單位: m) (a) t=15.8535 ns;(b) t=23.7802 ns; (c) t=31.7069 ns; (d) t=55.4871 ns; (e) t=71.3401 ns; (f) t=103.0475 nsFig.5.Particles distribution near the convolute of the plasmas motion,the purple is electrons,the yellow is ions (unit of the Y/Z-axis: m): (a) t=15.8535 ns; (b) t=23.7802 ns; (c) t=31.7069 ns; (d) t=55.4871 ns; (e) t=71.3401 ns; (f) t=103.0475 ns.

仿真結(jié)果顯示等離子體密度最大約1013cm-3,這可能與電極表面氣體脫附率的選擇以及電子發(fā)射模型的細(xì)節(jié)設(shè)置有關(guān).如圖5所示,隨著時(shí)間的推進(jìn),等離子體逐漸漂移至陽極柱.從陰極孔邊沿到陽極柱表面的徑向線段上(如圖5(b)藍(lán)色線段所示),等離子體密度分布如圖6所示,橫坐標(biāo)表示空間位置由陽極柱中軸線起,沿徑向至陰極孔邊緣并繼續(xù)延長1 cm左右.圖6中虛線分別標(biāo)示出陽極柱和陰極孔邊緣所在的位置.等離子體密度分布特點(diǎn)為峰值在陰極孔邊沿,往陽極柱方向迅速減小.在陰極表面(＞ 10 mm)則聚集著相對較多的等離子體.

圖6 20 ns時(shí)刻,陰極等離子體的密度分布Fig.6.Density distribution of the cathode plasma when time is 20 ns.

選擇等離子體密度分布曲線峰值的10%等效為等離子體前沿.通過尋找不同時(shí)刻等離子體前沿的位置可以獲得等離子體擴(kuò)展速度.圖7展示了等離子體前沿的位置隨時(shí)間變化的情況.黑色曲線表示實(shí)際仿真結(jié)果,紅色曲線則是對仿真數(shù)據(jù)平滑后的結(jié)果.

由圖7可以看出,在初始階段(＜40 ns),等離子體基本被束縛在陰極孔附近,隨后開始向陽極柱移動.受PHC附近復(fù)雜電磁場以及等離子體自身不穩(wěn)定性的影響,等離子體的移動過程并不是單調(diào)變化的.在70-80 ns時(shí),等離子體前沿的移動似乎停滯.隨后,等離子體繼續(xù)往陽極柱移動,但是并未完全到達(dá)陽極柱.整個過程可以獲得等離子體平均擴(kuò)展速度約為3.76 cm/μs.如果僅考慮圖7中等離子體前沿實(shí)際移動的過程,那么等離子體擴(kuò)展平均速度為5.96 cm/μs.

圖7 等離子體密度前沿位置隨時(shí)間變化曲線Fig.7.Motion curve of the front of the plasma density.

從仿真結(jié)果可以看出,在整個仿真過程中陰極等離子體明顯縮短了陰陽極間距,然而并未完全導(dǎo)致陰陽極間隙完全導(dǎo)通.因此單孔PHC仍能較好地傳輸脈沖電流.當(dāng)設(shè)置陽極柱發(fā)射離子(H+),單孔PHC的電流損失略有增加.分析其主要原因可能是等離子體密度總體偏低,導(dǎo)致單孔PHC的陰陽極間隙閉合效果并不明顯.

3.3 陰極發(fā)射含負(fù)離子的等離子體

陰極表面發(fā)射負(fù)離子(H-)的現(xiàn)象已被多個實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[20,21].在陰陽極分別發(fā)射等離子體的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了陰極負(fù)離子在PHC電流損失過程中對陰陽極間隙閉合的影響.圖8展示了陰極等離子體含有負(fù)離子時(shí),單孔PHC上/下游的電流波形.圖8與圖4相比,上/下游電流在峰值附近的差別更為明顯,電流損失達(dá)到20 kA,損失比約為2.2 %.

圖8 陰極等離子體含負(fù)離子時(shí),單孔PHC的上/下游電流Fig.8.The upstream and the downstream currents of the single-hole PHC while the cathode emitted electrons,ions,and negative ions.

圖9展示了在單孔PHC的陰陽極間隙間,等離子體的空間位置隨時(shí)間的變化,其中紫色為電子,黃色為離子,綠色為負(fù)離子.相比離子,陰極負(fù)離子的運(yùn)動明顯更劇烈,除了往陽極漂移,部分陰極負(fù)離子在電磁場作用下漂移至負(fù)載區(qū).往陽極柱漂移的陰極負(fù)離子移動很快,大約在34 ns左右已有少量陰極負(fù)離子到達(dá)陽極柱表面.這意味著,陰極負(fù)離子會導(dǎo)致間隙更快閉合.

陰極負(fù)離子的密度分布規(guī)律與圖6相近,其密度最大值僅為109cm-3.依據(jù)同樣的方法,可以得到陰極負(fù)離子前沿隨時(shí)間變化的曲線.圖10與圖7相比,負(fù)離子從產(chǎn)生時(shí)刻起,就在電磁場作用下往陽極柱漂移.在30-40 ns區(qū)間,負(fù)離子的漂移略有停滯.然后在50 ns左右,負(fù)離子到達(dá)陽極柱表面.分析整個移動過程,可獲得負(fù)離子平均漂移速度約為10 cm/μs.

仿真結(jié)果表明,陰極負(fù)離子的存在增強(qiáng)了單孔PHC陰陽極間隙閉合效果,損失電流明顯增加.陰極負(fù)離子的移動速度大于陰極等離子體擴(kuò)展速度,因此能使陰陽極間隙更早閉合.陰極負(fù)離子發(fā)射模型選擇確定了負(fù)離子的密度.陰極負(fù)離子在密度較低的前提下,依然導(dǎo)致了明顯的電流損失.本文仿真結(jié)論與文獻(xiàn)[22]關(guān)于負(fù)離子在磁絕緣二極管電流損失的仿真研究結(jié)論基本一致,認(rèn)為負(fù)氫離子可以使陰陽極間隙閉合,導(dǎo)致電流損失.

圖9 柱-孔附近等離子體隨時(shí)間運(yùn)動分布的二維圖(橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)單位: m) (a) t=15.4005 ns; (b) t=21.7419 ns; (c) t=34.4247 ns; (d) t=59.7902 ns; (e) t=97.8381 ns; (f) t=108.6064 nsFig.9.Particles distribution near the convolute of the plasmas motion (unit of the Y/Z-axis: m): (a) t=15.4005 ns; (b) t=21.7419 ns; (c) t=34.4247 ns; (d) t=59.7902 ns; (e) t=97.8381 ns; (f) t=108.6064 ns.

圖10 負(fù)離子密度前沿位置隨時(shí)間變化曲線Fig.10.Motion curve of the front of the negative density.

3.4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析

同時(shí)在“強(qiáng)光一號”加速器上開展了一系列單孔PHC電流傳輸實(shí)驗(yàn)研究,獲得了單孔PHC上/下游電流波形以及損失電流.通過對單孔PHC上/下游電流波形的分析,獲得了單孔PHC陰陽極間隙閉合的平均速率.(2)式用于估算陰陽極間隙閉合的平均速率.

其中l(wèi)為陰陽極間隙距離;t2為間隙完全閉合時(shí)刻,定義為上/下游電流波形出現(xiàn)明顯差別的時(shí)刻;t1為間隙開始閉合時(shí)刻,定義為電流幅值為峰值10%的時(shí)刻.實(shí)驗(yàn)中,可以調(diào)整陰極孔和陽極柱的直徑.圖11展示了根據(jù)(2)式估算得到的全部單孔PHC的陰陽極間隙閉合平均速率,為5.74-14.52 cm/μs.

經(jīng)比較分析,發(fā)現(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算得到的陰陽極間隙閉合速率的數(shù)值范圍涵蓋了3.3節(jié)中陰極負(fù)離子前沿平均漂移速度值,但是大于 3.2節(jié)中陰極等離子體前沿平均漂移速度值.結(jié)果間接證明陰極負(fù)離子的運(yùn)動對高功率單孔PHC的電流損失有明顯的影響.

關(guān)于PHC附近等離子體的仿真[9-13]研究中,陰極等離子體的擴(kuò)散速度始終采用大約3 cm/μs的經(jīng)典擴(kuò)散速度.理論上對于間隙為1 cm的MITLs(含有PHC),前沿約為100 ns的脈沖電流的主峰能夠無損失或很少損失地傳輸至負(fù)載,電流損失現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)在電流后延部分.然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與理論仿真結(jié)果不同,電流損失現(xiàn)象常常出現(xiàn)在電流峰值之前[6,7].這暗示必定有另外的機(jī)制使得陰極等離子體擴(kuò)展更快,陰陽極間隙閉合時(shí)刻更早.通過分析等離子體可能的組成成分[20,21],認(rèn)為負(fù)氫離子是該機(jī)制最有力的競爭者.本文以及文獻(xiàn)[22]的仿真結(jié)果,證明了負(fù)氫離子能夠脫離磁場約束到達(dá)陽極,從而導(dǎo)致明顯的電流損失.本文的仿真結(jié)果,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互佐證,顯示負(fù)氫離子的漂移速度明顯大于經(jīng)典的陰極等離子體擴(kuò)散速度3 cm/μs,進(jìn)一步證明負(fù)氫離子的存在能夠更快地導(dǎo)致陰陽極間隙閉合.

圖11 陰陽極間隙閉合速率Fig.11.Experimental data of the gap closure speed.

4 結(jié) 論

本文介紹了單孔PHC電流傳輸特性的仿真實(shí)驗(yàn)研究,描述單孔PHC仿真幾何模型及其仿真設(shè)置,比較了陰極發(fā)射電子、等離子體以及陰極發(fā)射含負(fù)離子等離子體等三種工作模式.

當(dāng)陰極僅發(fā)射電子時(shí),單孔PHC能夠高效地傳輸脈沖電流.雖然電子彌漫整個陰陽極空間,但是并不能導(dǎo)致間隙有效閉合.當(dāng)陰極發(fā)射等離子體時(shí),仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)較明顯的電流損失.等離子體的運(yùn)動縮短了陰陽極間隙的有效長度,其平均擴(kuò)展速度約為3.76 cm/μs.仿真結(jié)果與現(xiàn)有磁絕緣理論、仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

當(dāng)陰極發(fā)射含負(fù)氫離子的等離子體時(shí),此時(shí)等離子體的成分主要有電子、離子和負(fù)氫離子.仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)單孔PHC的電流損失進(jìn)一步增大.陰極負(fù)離子的平均移動速度約為10 cm/μs,能夠更快使間隙閉合.通過仿真計(jì)算獲得的氫負(fù)離子運(yùn)動速度與實(shí)驗(yàn)估算的間隙閉合速度接近.基于負(fù)離子的發(fā)射模型采用實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式,負(fù)離子的密度偏低,僅為109cm-3.對仿真結(jié)果的分析認(rèn)為陰極負(fù)離子在PHC電流損失現(xiàn)象中發(fā)揮了重要作用,是導(dǎo)致PHC電流損失的主要機(jī)制之一.結(jié)果同時(shí)暗示等離子體內(nèi)部微粒的運(yùn)動復(fù)雜,并不是完全作為一個整體而運(yùn)動.復(fù)雜電磁場可能導(dǎo)致等離子體內(nèi)部微粒局部分離為多個小部分.每個小部分主要聚集了電荷極性相同的微粒,并在電磁場的作用下做復(fù)雜的運(yùn)動.

文中因?yàn)榈入x子體發(fā)射模型設(shè)置等原因,電子-等離子體密度最大值僅為1013cm-3,遠(yuǎn)小于常用的密度值[8-10].雖然在低密度條件下,仍能發(fā)現(xiàn)明顯的電流損失,且能定性分析等離子體的運(yùn)動特性,但是以此解釋高密度條件下,單孔PHC電流傳輸及等離子體的運(yùn)動特性,則有一定的局限性.仿真計(jì)算中,還未仔細(xì)考慮粒子輸運(yùn)過程中粒子碰撞、中性氣體電離等復(fù)雜物理機(jī)理,仿真結(jié)果偏理想化.另外,饋入前行電壓波形并非實(shí)驗(yàn)波形,也會對仿真結(jié)果帶來偏差.因此未來的仿真研究工作,主要是調(diào)整饋入電壓信號,采用實(shí)際的實(shí)驗(yàn)電壓波形,并合理調(diào)節(jié)等離子體發(fā)射模型參數(shù),逐漸加入粒子輸運(yùn)過程中粒子輸運(yùn)的物理機(jī)理,以期獲得等離子體密度在1015-1017cm-3時(shí),單孔PHC電流傳輸及等離子體的運(yùn)動特性.