考虑氩 4s态和4p态的辉光放电数值仿真

辉光放电

常采用经典辉光管放电结构来研究辉光放电，即真空管内平行放置阴极和阳极。由于正常辉光放电具有负阻性，常外接电阻以稳定放电，并且可以通过调节电阻值来调节放电电流。辉光放电早已被广泛并深入研究，其典型工作气压范围是10mTorr~10Torr，放电电压在百V量级。放电管中的等离子体呈现出多个明暗相间的结构，大致可分为阴极区和正柱区。

阴极区又称为阴极位降区，几乎所有的电压降都在此区。此区域放电主要是通过高能离子对阴极进行轰击产生的二次电子电离中性气体来维持的。这对于直流放电来说是必须的。阴极位降区内的电流离不开电离过程，其由高能二次电子产生。因此，电子密度和电子通量随着阴极距离增加而成指数增加。

负辉区是靠近阴极位降区的一个特别明亮的区域，主要是由于高能二次电子在此处进行的强电离和强激发所导致的。在负辉区的末端（更靠近阳极方向）电场逐渐减小，逐步过渡到正柱区。在这个过渡阶段，电子由于碰撞损失掉几乎所有的能量，然后经过大约一个平均自由程长度的弱电场区重新被加速进入到正柱区，这个弱场区即为法拉第暗区。法拉第暗区之后靠近阳极分别是正柱区和阳极位降区。

此种结构的辉光等离子体特点是，在恒定气压和电压下，改变阴阳极间距，随之改变的仅是正柱区的长度，而阴极位降区几乎不受影响。除了正柱区之外，其他小的区域受到放电气体种类，气压和电压差等参数的影响，当改变这些参数时，一些区域可能消失。辉光放电各区域如图1^[1]所示。

图1 辉光放电分区示意图

原COMSOL案例库中的二维辉光放电管模型，其考虑的物种包括电子，Ar离子，Ar亚稳态三种。但仿真结果不是很perfect。我们尝试增加氩的物种，除了亚稳态之外，还考虑距离电离更近的4p态，相比亚稳态4s态激发能更高。

我们考虑的物种包括：electron，Ar(4s),  Ar(4p),  Ar+，具体反应与相应的截面原始文献，或者反应速率系数请参考Ref.2。

结果对比

图2 电势对比

图3 原案例中的电子密度和亚稳态Ar密度分布

图4 新物种模型中的各粒子密度分布

从图4中可以明显看出辉光放电的层次结构。

（完）

参考文献：

[1] Lieberman, M. A., & Lichtenberg, A. J. (2005). Principles of plasma discharges and materials processing. Principles of plasma discharges and materials processing

[2] Kolev, S., & Bogaerts, A. (2014). A 2d model for a gliding arc discharge. Plasma Sources Science & Technology, 24(1)