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

（北京化工大學理學院 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

（北京化工大學理學院 北京 100029）

為設(shè)計兼具閘流管和真空電子管優(yōu)點的開關(guān)器件，利用 Xoopic軟件，采用有限時域差分法（FDTD）和YEE網(wǎng)格法，對所設(shè)計的開關(guān)器件的工作過程進行了數(shù)值模擬。分析了源柵極和控制柵極的相對電位、源柵極和控制柵極的相對位置與柵孔直徑的關(guān)系以及電磁場分布等因素對預電離的產(chǎn)生和預電離區(qū)域穩(wěn)定性的影響，得到了電場對應電壓為200～300V、磁場的磁感應強度為0.045～0.055T時，開關(guān)器件可維持穩(wěn)定預電離狀態(tài)的結(jié)果，同時確定了當柵孔直徑為 1.2mm，兩柵極直徑之比小于0.9時，控制柵極能對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。在對電流的通斷控制過程中，它們有各自的特點，閘流管具有很強的負載能力，但是只能用于電流導通，而不能用于電流的截止；真空電子管對電流的通斷能起到很好的控制作用，但是它的負載能力不強?？紤]到應用的需要，有必要設(shè)計一種兼具閘流管和真空電子管優(yōu)點的器件，以實現(xiàn)對強電流、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，對所做的器件的柵極設(shè)計方案進行了有效、定量的優(yōu)化。

2 柵極設(shè)計的理論依據(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，因此閘流管的負載能力遠遠大于真空電子管。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有限。

鑒于上述原因，筆者設(shè)計的冷陰極開關(guān)器件的工作氣體為氫氣，為實現(xiàn)導通時應具有的超強負載能力，利用了系統(tǒng)內(nèi)氣體電離時，在一定條件下所發(fā)生的雪崩倍增效應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)的對稱軸，r軸為器件沿徑向的空間坐標軸，從外到內(nèi)器件由冷陰極、源柵極、控制柵極和陽極四個部分組成，在柱面陰極外環(huán)繞著三組磁環(huán)。在器件預電離階段，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，為器件的預備導通提供一個穩(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通和截止，當施加反向電壓時，陰-柵區(qū)域?qū)⒕S持預電離狀態(tài)，器件處于截止；而施加正向電壓時，陰-柵區(qū)域?qū)⒀杆贀舸?，器件處于導通狀態(tài)。陽極上一般施加一個高電壓。圖2為器件工作的等效電路圖，當器件導通時，分壓電阻R1使陽極電壓降低。

在氣體放電器件的設(shè)計中，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—氣體擊穿距離；

α —電子的碰撞電離系數(shù)。

由式（1）可得到判斷擊穿的一個經(jīng)驗公式[2]

式中，C1和C2由實驗獲得[2]，當電場強度與壓強比值在給定工作氣體所對應的一定范圍內(nèi)，基本為常數(shù)。由式（2）可以判定，當壓強p與氣體擊穿距離d乘積的最小值(pd)min約為0.5cm·Torr時（1Torr= 133.322Pa），擊穿電壓對應極小值，大約幾百伏。然而對器件的工作狀態(tài)進行數(shù)值模擬時發(fā)現(xiàn)，當pd值取0.5cm·Torr左右，且對陰極-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)才會出現(xiàn)雪崩效應。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會經(jīng)歷一個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動時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，對具體應用中所要求器件小型化來說是沒有實際意義的。

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

設(shè) E和 B分別表示電場強度和磁感應強度，兩者均為空間坐標的函數(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)就達自持放電階段，離子在這個時間段內(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)處于靜止狀態(tài)，而電離產(chǎn)生的大部分電子視為約束在這個區(qū)域內(nèi)運動。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)生電子的運動區(qū)域，這不僅有利于器件通斷過程的控制，而且對器件使用壽命的延長也具有實際意義。

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環(huán)形區(qū)域內(nèi)運動，由此驗證了器件設(shè)計的預期合理性。

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出的帕邢定律，對于電場和磁場同時存在的情況，不能簡單的引用，須作必要的修正。

考慮到閘流管只能導通而不能截止的原因在于：當陰-柵區(qū)域發(fā)生預電離后，大量的等離子體會通過柵網(wǎng)擴散到陽-柵區(qū)域，此時通過改變柵極電壓將會引起整個系統(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]，氣體擊穿時電子放電通道將從陰極延伸到陽極，其間的柵極將對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。要實現(xiàn)大功率電路的通斷控制，開關(guān)器件的設(shè)計必須滿足：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)，同時其又能對電子放電通道起到截斷的作用，從而能對大電流的導通和截止進行控制；④系統(tǒng)導通時要求通過柵孔進入柵-陽區(qū)域的電子作為載流子，數(shù)量要大到相當?shù)某潭?，以達到在陰、陽極間通導大電流的目的。

圖 3為氣體放電各階段的示意圖[2]，橫軸為電流對數(shù)，縱軸為電壓。陰-柵區(qū)域預電離時，應穩(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，當氣體擊穿時，陰-柵區(qū)域只有處于輝光放電與反常輝光放電范圍內(nèi)，器件導通才有較大的負載能力，工作狀態(tài)才會穩(wěn)定。如果其處于弧光放電區(qū)，則器件放電電流不穩(wěn)定，抖動會非常明顯，同時伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，器件內(nèi)部溫度急劇上升，最終會導致器件的燒毀。

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)定地處于預電離狀態(tài)，而良好的預電離狀態(tài)又是器件控制導通的前提條件。利用Xoopic軟件[3-6]對陰-柵區(qū)域的工作狀態(tài)進行了模擬，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，在電磁場中的運動滿足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方程組模擬粒子運動的，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（z，r）中引入Yee網(wǎng)格法[9-11]，將陰-柵區(qū)域劃分為J× K個網(wǎng)格。圖4表示帶電粒子在任意兩個相鄰網(wǎng)格中的運動，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時間間隔后所處的位置。帶電粒子的移動會改變網(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個帶電粒子的初始位置A相對于格點（k，j）位矢的兩個分量，和表示位置B相對于格點（k，j）位矢的兩個分量，定義為則經(jīng)過Δt時間間隔，當電量為q的粒子從A移動到B時，由于電磁場的作用，引起網(wǎng)格（j，k）四個格點處的電荷發(fā)生了變化[3]：

圖4 帶電粒子在網(wǎng)格中的運動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，因而由于格點電荷的變化在網(wǎng)格邊界應產(chǎn)生相應的電流，定義沿z軸的電流為I1，沿r軸的電流為I2，則有對應關(guān)系[3]如下：

利用有限時域差分法[9,11-15]，將粒子運動產(chǎn)生的電流項與外加電流項迭代入Maxwell方程組，再計算其對邊界范圍內(nèi)的所有PIC粒子運動的影響。通過多次的迭代運算，就能對陰-柵區(qū)域內(nèi)氣體電離情況進行合理的模擬分析，通過軟件的圖形處理可以得到帶電粒子的實時運動行為圖，進而可判斷該區(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電離，以及預電離是否穩(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開，這樣可屏蔽陽極產(chǎn)生的電場對陰-柵區(qū)域的影響，也即使得陽極高電壓對陰-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，當兩柵極間距合理設(shè)置時，將使得該區(qū)域發(fā)生氣體擊穿。為了分析源柵極對預電離的影響，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場分布的影響。

考慮到預電離發(fā)生時，所形成的電子放電通道處于動態(tài)平衡狀態(tài)，電子數(shù)密度會有一定的漲落起伏，這將影響各狀態(tài)間的比較；而質(zhì)量很大的離子移動緩慢，變化幅度很小，因而筆者以離子數(shù)密度的峰值為標準，來比較不同磁場和不同電壓條件下的源柵極對預電離的影響。不同的電場和磁場，會導致帶電粒子數(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)的氣體無法完成預電離，器件工作在這個狀態(tài)下將無法導通。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)密度相當小，盡管如此，仍能看出該過程的發(fā)展方向是由強到弱，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預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預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)定預電離的模擬情況

由圖 8知，當所加的電磁場能提供足夠的能量時，陰-柵區(qū)域的氣體能夠達到自持放電，此時所產(chǎn)生的電子放電通道將維持在動態(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)定的預電離，能為器件進一步的導通提供足夠的電離源，增強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好的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定預電離的情況，對應模擬所取的相關(guān)數(shù)據(jù)為：B=0.05T時，取 U=200V，有 N= 6.9×1013個/m3；取U=300V，有N=2.2×1014個/m3；B=0.06T時，取 U=200V，有 N=6.9×1013個/m3，但取U=300V，則N＞6×1017個/m3，陰極-源柵極擊穿。

圖8 0.05T、300V模擬條件下粒子數(shù)隨時間的變化關(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)值模擬輝光放電對應的氣體擊穿

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，在實際應用中此種情況對應著器件的導通，但在導通信號未加入時，器件是不允許導通的。當B=0.05T，U≥350V，或B=0.06T，U≥300V均為這種情況的對應條件，這時 N＞6.9× 1017個/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)值模擬弧光放電對應的氣體擊穿

據(jù)圖14，當B=0.05T，1000V≤U≤2000V時，電場作用比磁場作用強，導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電離的過程，形成了一個自源柵極起逐漸向陰極發(fā)展的電子放電通道，此時陰-柵區(qū)域處于自持放電階段，由于通道形成時間比較短（大約 10?7～10?8s），碰撞電離產(chǎn)生的離子幾乎沒有移動，因而離子表現(xiàn)為聚集在電子放電通道。當源柵極無法提供足夠的電場以供電子放電通道的進一步發(fā)展，同時控制柵極提供的反向電壓又會阻礙電子放電通道的發(fā)展，此時通道將無法連接陰、柵極形成該區(qū)域內(nèi)的氣體擊穿，而是長時間維持動態(tài)平衡，此時器件處于預電離狀態(tài)；當在控制柵施加大的正向電壓時，電子放電通道將獲得足夠的能量迅速發(fā)展到陰極，從而導致氣體擊穿，器件開始導通。

4 實驗驗證與分析

當開關(guān)裝置工作時，兩個柵極的電壓可以通過外部電路來進行有效的調(diào)整。筆者在數(shù)值模擬所采用的設(shè)計方案基礎(chǔ)上，制作了具有相同幾何尺寸、并處在相仿工作環(huán)境下的實驗開關(guān)裝置，通過調(diào)整對應的源柵極電壓，對數(shù)值模擬工作進行了實驗驗證。

由于源柵極在預電離中的重要性，在數(shù)值模擬中，側(cè)重考慮了源柵極對預電離狀態(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通大電流的能力。而在實際工作中，起到控制開關(guān)裝置導通作用的是控制柵極，當其維持為負壓時裝置處于預電離階段，其電壓逐漸增加時將引起裝置的導通。即只有在設(shè)計的裝置具有導通能力的前提下，通過改變控制柵極電壓才能實現(xiàn)導通。

因此，在數(shù)值模擬中討論的前三種不同狀態(tài)所對應的源柵極電壓條件下，通過調(diào)整實驗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)裝置能否實現(xiàn)導通。據(jù)開關(guān)裝置在電路中的通斷狀態(tài)可知，當裝置導通時，伴隨著陰-陽極間的電流逐漸增大，兩極間的電壓會出現(xiàn)一個急劇降低的過程，因此電壓-電流關(guān)系將會出現(xiàn)一個躍變。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，就表示裝置導通。

4.1 無法發(fā)生預電離的實驗情況

圖17表示在0.025T、400V條件下裝置的實際工作情況。由圖17可以看出，當控制柵極電壓增加到2000V以上時，UGC-IGC關(guān)系未出現(xiàn)躍變，因此實驗說明開關(guān)裝置不能發(fā)生導通。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)生預電離的，因而也說明了裝置無法導通，即數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗結(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)定預電離的實驗情況

圖 18表示在 0.05T、300V條件下開關(guān)裝置的實際工作情況。圖中UGC-IGC在550V附近出現(xiàn)了一個小的躍變，之后保持了一個較好的線性增長的情況，說明裝置發(fā)生了導通，且工作狀態(tài)比較穩(wěn)定。與之對應的數(shù)值模擬結(jié)果認為該參數(shù)設(shè)定下裝置能發(fā)生穩(wěn)定的預電離，陰-源柵極預電離電流在 4mA附近，隨著UGC的增長，IGC能達到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 實驗中輝光放電對應的氣體擊穿

圖 19表示在 0.05T、350V條件下裝置的實際工作情況。由圖19可以看出，控制柵極電壓在530V附近出現(xiàn)一個很大的躍變，之后當電壓增大到800V左右時（圖中未標出），裝置抖動比較大，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UGC增大時，IGC很快達到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

當源柵極電壓超過1000V時，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)果很好地驗證了這一現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）陰-柵區(qū)域的預電離對器件的通導有決定性的影響，通過對源柵極的設(shè)置所進行的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當電場和磁場設(shè)定在一個合適的范圍內(nèi)（電壓200～300V，磁感應強度0.045～0.055T）時，可以使預電離維持在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，裝置穩(wěn)定工作時陰-源柵極預電離電流在 20～50mA，所測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬所得基本符合；同時，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）當柵孔直徑D=1.2mm，兩柵極直徑之比滿足D/D′≥1.8時，控制柵極產(chǎn)生的電場將幾乎完全被源柵極屏蔽，從而不能對器件的導通起到控制作用；而D/D′≤0.9時，源柵極無法屏蔽控制柵極的作用，即控制柵極能對器件的通斷起到有效的控制作用。

[1] 劉競業(yè), 欒曉燕. 利用等離子體作為高效控制開關(guān)的試驗分析[J]. 北京化工大學學報, 2001, 28(3): 63-65. Liu Jingye, Luan Xiaoyan. Experimental analysis of advanced plasma-based switch [J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology, 2001, 28(3): 63-65.

[2] 楊津基. 氣體放電[M]. 北京: 科學出版社, 1983.

[3] Verboncoeur J P, Langdon A B, Gladd N T. An object-oriented electromagnetic PIC code [J]. Comput. Phys. Commun, 1995, 87: 199.

[4] 藍永強, 邱行偉. 電漿模擬[J]. 物理雙月刊, 2006, 28(2): 97. Lan Yongqiang, Qiu Xingwei. Plasma simulation[J]. Physics Bimonthly, 2006, 28(2): 97.

[5] 何濤, 丁可, 張菁, 等. 圓筒狀DBD放電特性模擬研究[J]. 核聚變與等離子體物理, 2008, 28(2): 177-181. He Tao, Ding Ke, Zhang Qing, et al. Simulation on characteristics of cylinder reactor dielectric barrier discharge [J]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2008, 28(2): 177-181.

[6] 歐陽勤. 真空電子器件與模擬技術(shù)[J]. 真空電子技術(shù), 2002(4): 28-34. Ouyang Qin. Vacuum electronic devices and modeling simulation technique[J]. Vacuum Electronic Technique, 2002(4): 28-34.

[7] Birdsall C K, Langdon A B. Plasma physics via computer simulation[M]. New York: Taylor & Francis, 2004.

[8] Birdsall C K. Particle-in-cell charged-particle simulations, plus monte carlo collisions with neutral atoms, PIC-MCC [J]. IEEE Trans. on Plasma Sci, 1991, 19(2): 65-85.

[9] 王甲富, 屈馬林, 屈紹波, 等. 含導體邊界的等離子體空間二維靜電場PIC算法[J]. 空軍工程大學學報(自然科學版), 2006, 7(5): 60-62. Wang Jiafu, Qu Malin, Qu Shaobo, et al. Two-dimensional space electrostatic PIC plasma algorithm with conductor boundary[J]. Journal of Air Force Engineering University (Natural Science Edition), 2006, 7(5): 60-62.

[10] 王林年, 白心愛. Yee算法的散度特性[J]. 呂梁高等?？茖W校學報, 2002(1): 5-7. Wang Linnian, Bai Xin’ai. The dispersion characteristics of the Yee algorithm[J]. Journal of Lüliang College, 2002(1): 5-7.

[11] 劉大剛, 祝大軍, 周俊, 等. 3維電磁粒子模擬程序設(shè)計[J]. 強激光與粒子束, 2006, 18(1): 110-114. Liu Dagang, Zhu Dajun, Zhou Jun, et al. The design of 3-dimensional electromagnetic particle simulation programming[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2006, 18(1): 110-114.

[12] Verboncoeur J P. Particle simulation of plasmas: review and advances [J]. IOP Plasma Physics and Controlled Fusion, 2005, 47: 231-260.

[13] 王長清. 電磁場計算中的時域有限差分法[M]. 北京: 北京大學出版社, 1994.

[14] 邵福球. 等離子體粒子模擬[M]. 北京: 科學出版社, 2002.

[15] 高本慶. 時域有限差分法[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1995.

[16] Gopinath V P, Verboncoeur J P, Birdsall C K. Multipactor electron discharge physics using an improved secondary emission model [J]. Phys. Plasma, 1998, 5: 1535-1540.

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，研究方向為材料改性、氣體放電物理及脈沖技術(shù)。

國家自然科學基金資助項目（50877003）。

2009-11-10 改稿日期 2010-05-25

張 明 男，1986年生，碩士研究生，研究方向為氣體放電及脈沖技術(shù)。