微等离子体中的场致发射和热发射过程模拟研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

微等离子体(microplasma)是在较小的空间尺度内产生、约束并维持的实验室等离子体，其放电尺度至少在一个维度上低于1毫米。类似于常规等离子体，微等离子体也可以分为冷微等离子体和热微等离子体两类：冷微等离子体中电子温度远高于离子温度，而离子温度接近室温，通常由功率较低的直流、射频或微波源驱动，其特性接近辉光放电，多数文献中的微等离子体是狭义上的辉光放电。热微等离子体中离子温度接近电子温度，且远高于室温，通常由气体或液体中的强放电或是强激光照射产生，其特性接近电弧或火花放电，也被部分文献称为“微放电(micro discharge)”，这类微放电在最近几年得到了很多关注。

微放电在实际应用中有许多优点，首先，在大气压和高功率密度下，常规气体放电很难产生大面积均匀稳定的非热平衡态等离子体。气体放电的击穿电压遵循帕邢（paschen）定律，即电极间形成放电的击穿电压是气体的压力p和电极间距离d乘积的函数。在一个特定的pd值处，有最小击穿电压，因为微放电有较小的放电间隙，所以能够在更高的气压下实现稳定放电。其次，微等离子体的密度与功率密度更高，可以实现更高的物理、化学反应速率，光子通量等。再者，由于微放电可以在大气压下实现，不需要提供真空环境，能量消耗低，大大减少了操作费用，运行成本以及实验仪器的制造成本。

微等离子体可以产生非常丰富的产物，包括电子、正负带电粒子、各种化学活性的自由基、高能光子等。基于上述优点，微等离子体具有广泛的应用：对于冷微等离子体，其产生的光子可用作光源/紫外光源，例如等离子体显示设备（如等离子体电视等）就是微等离子体最著名和常见的应用；其产生的正负带电粒子可以用作材料表面处理和材料合成；其产生的各种自由基可广泛用于化学中的分析和传感器，以及生物医学中的杀菌等。对于热等离子体，流注型的微等离子体可以用于环境保护方面的温室气体转化；电弧型微等离子体可以用于微器件的焊接等。

2. 研究的基本内容与方案

本研究的主要研究内容是：针对金属电极的微等离子体，利用一维pic/mc模拟方法，从动理学上研究微等离子体的放电模式及其击穿效应。具体包括以下研究内容：研究不同放电模式的特点及该模式维持的放电参数的临界值、不同模式下主要的加热机制和等离子体动理学行为，不同放电模式击穿过程中的参数变化（电场、电势、电流等）。本研究主要包括两部分研究：场致发射维持的微放电，以及由热发射维持的微放电。

研究目标

3. 研究计划与安排

2020年1月-2020年3月，掌握编程基本工具，熟悉相关程序模块；

2020年4月-2020年5月，完成相关程序模块的编写、调用、运行和调试；

2020年6月，撰写论文，准备答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] k. schoenbach, et. al., the european physical journal d 70(2): 1 (2016).

[2] p. bruggeman, et. al., journal of physics d: applied physics 46: 464001 (2013).

[3] k. becker, et. al., journal of physics d: applied physics 39: r55–r70(2006).