本发明专利技术提供了一种低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法及系统，适用于真空环境下的复杂结构电极之间的气体放电过程模拟。所述方法基于将放电路径设定为间隙电场线，以放电路径和电位等势线划分计算域网格，在设定负电极表面的初始电子数量后，针对放电路径上的电子运动、电子与原子碰撞、离子生成以及二次电子生成进行计算。接着，对比各放电路径的二次电子生成总量，筛选出最可能击穿路径，再以该路径的二次电子数量与初始电子数量对比，判断是否能够触发临界击穿。本发明专利技术可实现复杂结构电极间的击穿电压和击穿位置的预估，且具有较高的计算效率。的计算效率。的计算效率。
【技术实现步骤摘要】
低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法及系统
[0001]本专利技术涉及计算领域，具体地，涉及一种低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法及系统。
技术介绍
[0002]低压气体击穿是真空环境下带电物体之间的常见物理现象，一方面，在电极诱导放电方面，例如航天领域中电推力器的点火，有着正面作用，另一方面，在设备绝缘防护方面又存在负面作用。因而，如何有效诱导或规避气体击穿则成为提升真空设备应用性能与可靠性的关键。这其中的设计内涵主要是指，如何在特定的气体强压环境下，合理调整电极结构与电极相对位置，以优化气体击穿电压。基于上述，低气压环境下的气体击穿电压预估方法始终是放电电极设计的核心技术。
[0003]文献“Townsend S.Electricity in Gases.Oxford:Oxford University Press.1915”介绍了一种应用于平行电极板之间击穿电压的预估定律，帕邢定律。具体地，帕邢定律是一种一维算法，利用电极间隙的压强和距离来进行临界击穿电压的快速预估方法。文献“Golden D E,et al.First Townsend Ionization Coefficient in Hydrogen.Physical Review 139,1965”针对非匀强电场工况下的汤森电离系数进行修正，提出一种修正后的帕邢公式，该公式与试验结果具有更高的吻合度。文献“Niemeyer L,et al.Fractal Dimension of Dielectric Breakdown.Physical Review Letters 52,1984”针对高气压气体击穿过程提出一种流注分形模型，首次对气体击穿路径提出了捕捉方法，该算法能够预估高气压下击穿电压与放电路径的生长。文献“Niemeyer L.Model ing of Leader Branching in Electronegative Gases.Journal of Physics D:Applied Physics 20,1987”针对流注模型的路径发展算法进行了修正与拓展，提出一种随机漫步模型，能够更有效地捕捉高气压下的气体放电路径发展规律。文献“Radmilovic R M，et al.Modelling of low
‑
pressure gas breakdown in uniform DC electric field by PIC technique with realistic secondary electron emission.Czechoslovak Journal of Physics56,2006”提出基于单元粒子模型(PIC)针对低压气体击穿过程进行仿真的数值模型，该模型可以对整个击穿发展过程的等离子体数密度、能量以及空间电势分布等参数进行捕捉。
[0004]通过上述各算法的介绍，可获得气体击穿数值预估方法的发展路径，从最初的简单一维模型，到研究人员开始关注放电路径的问题，再到2000年后计算机的性能提升所带来的更复杂、更精准的计算模拟方法。就目前工程应用需求而言，高精度、高效率的算法研发始终是研究人员追求的核心目标，然而，上述计算方法却已无法满足当前的应用需求：帕邢定律具有快速预估的能力，但仅适用于一维结构的工况，通用性较低；流注模型能够捕捉放电路径的发展，但仅适用于高气压下的气体击穿，对真空环境下的击穿问题失去计算精度；基于PIC模型的现代数值模拟方法主要针对击穿过程中等离子体参数的演化具备较高的计算精度，尤其适用于击穿过程的非稳态模拟问题，但对于击穿电压的预估缺乏针对性，
并且计算时间普遍较长，时间成本较高。因此，需要研发一种高精度、高效率的低压气体击穿电压预估算法。
技术实现思路
[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法及系统。
[0006]根据本专利技术提供的一种低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法，包括如下步骤：
[0007]网格划分步骤：将电极间击穿区域进行网格划分；
[0008]初始参数设定步骤：设定电极间的初始电压为U0，设定负电极表面各网格节点有n0个初始电子，电子的能量为0eV；
[0009]初始运动判断步骤：初始电子向正电极进行运动，每次向前运动一个节点，直到电子运动到正电极表面，被正电极吸收，在此过程中求解电子动能变化以及对电子与原子发生的碰撞进行判断；
[0010]离子运动计算步骤：每个电子触发电离碰撞后生成一个离子，离子向负电极运动，在负电极表面被吸收，统计每一条放电路径所发生的总电离次数和所产生的离子数量，并计算离子撞击负电极表面所产生的二次电子数量n2；
[0011]筛选判断步骤：筛选所有放电路径中n2最多的一条记为最可能击穿路径，判断可击穿性。
[0012]优选地，设定最可能击穿路径的二次电子数量记为n2max，
[0013]若n2max明显低于/高于n0，则无法击穿/击穿过量，升高/降低电极初始电压n0，重复初始运动判断步骤、离子运动计算步骤、筛选判断步骤；
[0014]若n2max接近于n0，则刚好实现临界击穿，计算收敛。
[0015]优选地，还包括设定阈值区间，n0在所述设定阈值区间；
[0016]当n2max在设定阈值区间内时，表示n2max接近于n0；
[0017]当n2max小于设定阈值区间时，表示n2max明显低于n0；
[0018]当n2max大于设定阈值区间时，表示n2max明显高于n0。
[0019]优选地，计算网格划分方法为：电场线与电位等势线进行正交所形成的网格区域，其中将电场线设定为放电路径，在同一条放电路径中，两相邻节点之间的微元路径长度均为Δl
i,j
，Δl
i,j
所对应的两节点间电势差为恒定值。
[0020]优选地，所述的电子动能计算方法为：电子每运动一个微元路径，所对应的电势降低ΔU，那么电子动能增加ΔU
·
e，其中e为元电荷。
[0021]优选地，所述碰撞触发的判断，包括电离碰撞和激发碰撞，在某个节点，发生电子
‑
原子的电离碰撞概率由式(1)描述，激发碰撞概率由式(2)描述：
[0022][0023][0024]其中，N
n
为背景气体原子的数密度，设定为某一个定值或设定为数据组，σ
ion
和σ
exc
分别为当前工质气体的电离碰撞截面和激发碰撞截面。
[0025]优选地，所述的“n2max接近于n
0”是指满足式(3)的条件：
[0026][0027]其中，s0为计算残差，为远小于1的实数。
[0028]优选地，所述的“n2max明显低于n
0”是指满足式(4)的条件：
[0029][0030]优选地，所述的“n2max明显高于n
0”是指满足式(5)的条件：
[00本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：网格划分步骤：将电极间击穿区域进行网格划分；初始参数设定步骤：设定电极间的初始电压为U0，设定负电极表面各网格节点有n0个初始电子，电子的能量为0eV；初始运动判断步骤：初始电子向正电极进行运动，每次向前运动一个节点，直到电子运动到正电极表面，被正电极吸收，在此过程中求解电子动能变化以及对电子与原子发生的碰撞进行判断；离子运动计算步骤：每个电子触发电离碰撞后生成一个离子，离子向负电极运动，在负电极表面被吸收，统计每一条放电路径所发生的总电离次数和所产生的离子数量，并计算离子撞击负电极表面所产生的二次电子数量n2；筛选判断步骤：筛选所有放电路径中n2最多的一条记为最可能击穿路径，判断可击穿性。2.根据权利要求1所述的低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法，其特征在于，设定最可能击穿路径的二次电子数量记为n2max，若n2max明显低于/高于n0，则无法击穿/击穿过量，升高/降低电极初始电压n0，重复初始运动判断步骤、离子运动计算步骤、筛选判断步骤；若n2max接近于n0，则刚好实现临界击穿，计算收敛。3.根据权利要求2所述的低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法，其特征在于，还包括设定阈值区间，n0在所述设定阈值区间；当n2max在设定阈值区间内时，表示n2max接近于n0；当n2max小于设定阈值区间时，表示n2max明显低于n0；当n2max大于设定阈值区间时，表示n2max明显高于n0。4.根据权利要求1所述的低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法，其特征在于，计算网格划分方法为：电场线与电位等势线进行正交所形成的网格区域，其中将电场线设定为放电路径，在同一条放电路径中，两相邻节点之间的微元路径长度均为Δl
i,j
，Δl
i,j
所对应的两节点间电势差为恒定值。5.根据权利要求1所述的低压气体击穿电压与位置的数值模拟方法，其特征在于，所述的电子动能计算方法为：电子每运动一个微元路径...
【专利技术属性】
技术研发人员：于博，王宣，余水淋，刘佳，夏启蒙，乔彩霞，杭观荣，
申请(专利权)人：上海空间推进研究所，
类型：发明
国别省市：
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