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物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 9 (2014) 095206
棒-板电极下缩比气隙辉光放电相似性的仿真研究
付洋洋 罗海云 邹晓兵 王强 王新新
(清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京 100084)
( 2013 年11 月13 日收到; 2014 年1 月16 日收到修改稿)
建立了棒-板电极下氩气直流放电的流体模型, 利用有限元法对几何位形相似的两个气隙放电过程进行
了数值求解. 两放电气隙外加电压相同, 气隙线性尺寸的比值为 , 气压分别为1 Torr 和10 Torr. 仿真得
到了两相似气隙的放电的伏安特性曲线以及放电物理量(如电位、电场、电子密度、离子密度、电子温度等) 的
空间分布. 根据气体放电相似性的基本结论, 检验了气隙对应物理量之间的数值关系. 结果表明: 两相似气隙
的放电类型为正常辉光放电, 对应放电物理量之间存在相似性理论指出的比例关系, 且在相同幅值的直流电
压作用下, 气隙放电的工作点相同. 这将为利用气体放电相似性来外推相似气隙的放电特性提供一定的理论
依据.
关键词: 放电相似性, 辉光放电, 棒-板电极, 缩比气隙
PACS: 52.80.Hc, 52.65.–y, 51.50.+v DOI: 10.7498/aps.63.095206
Cleaning, GDC)78 . GDC 系统是ITER 装置的重
1 引 言 要部件, 主要功能就是利用辉光放电方清除装置因
暴露在大气中所吸附的N , H O, O 以及其他碳
辉光放电是一种典型的非热平衡低温等离子 氢化合物等杂质, 为高约束性能等离子体提供清洁
体, 它在杀菌、刻蚀、表面处理等领域得到了广泛的 的第一壁, 提高核聚变效率. 国内外一些大型装置
应用1−3 . 尽管人们对辉光放电的研究已经进行 (如EAST 等) 的研究表明, 利用辉光放电清洗聚变
一百多年了, 时至今日, 仍然有许多问题没有得到 反应腔体可以取得良好效果, 杂质残余量可以得到
解决. 例如, 国际上正在进行的大型科学合作项目 大大改善910 . 然而, 对于ITER 装置中的GDC 系
“国际热核聚变实验堆(International Thermonu- 统, 由于反应腔体的设计限制, 用于清洗的阳极只
clear Experimental Reactor, ITER) 计划”, 就需要 能使用几个面积有限的探头, 整个被清洗的腔体内
在较低气压下利用辉光放电产生等离子体对聚变 壁作为放电阴极, 要在放电位形如此不对称的装置
腔体的真空壁进行处理, 以清除装置内壁的杂质 中实现大面积稳定的清洗效果, 很多问题还有待研
(如碳、氧等), 从而保证聚变等离子体的纯度以及 究. 同时, 由于装置的惟一性以及其他同等装置的
约束稳定性4−6 . 稀缺性, 直接在反应腔体上进行实验研究受到诸多
国际上利用辉光放电来清洗受控核聚变装置 限制. 总而言之, 在ITER 这种巨形装置的内壁中
内壁表面杂质已有几十年的历史, 其基本过程是放 实现可靠、稳定的大面积辉光放电清洗是一个难题.
电产生的大量正离子在电场作用下向阴极(器壁) 本文提出一种间接的研究方法, 即根据气体放
运动, 利用高能离子轰击阴极表面, 使得器壁吸附 电相似性,
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