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納米尖陣列屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積耦合機(jī)理仿真

2021-10-23 11:02張晶園劉昌祎黃向東李菁波
關(guān)鍵詞:尖端電離電場(chǎng)

張晶園,劉昌祎,黃向東,張 妮,李菁波,張 濤

(1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程博士后流動(dòng)站,陜西 西安 710054;3.西安科技大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著工業(yè)化水平的不斷發(fā)展,針對(duì)真空度、電離度以及氣體濃度等物理量的傳統(tǒng)檢測(cè)方式在某些領(lǐng)域已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新的要求。近年來(lái),隨著碳納米管[1-2]、氧化鋅納米線[3-4]和硅納米線[5-6]等新型材料被相繼挖掘,納米材料進(jìn)入高速發(fā)展階段[7-8]。此類材料特有的尖端尺度和長(zhǎng)徑比能夠在較低的電壓下產(chǎn)生較高的場(chǎng)增強(qiáng)因子[9],有望實(shí)現(xiàn)低電壓下的電子發(fā)射與氣體電離,從而形成氣體放電。這為新型場(chǎng)致電離器件提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[10]。基于此類器件的真空規(guī),電離源和電離式氣體傳感器等可通過(guò)對(duì)放電電流的檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)真空度、電離度和氣體濃度等物理量快速、準(zhǔn)確的測(cè)量。在某些對(duì)采樣頻率和采樣精度要求較高的環(huán)境下,基于場(chǎng)致電離器件的各類元件展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。

微電暈放電是指發(fā)生在電極間隙為亞毫米以下量級(jí),且所處空間為極不均勻電場(chǎng)中的一種局部自持放電現(xiàn)象[11-12],場(chǎng)致電離器件基于電暈放電原理,通過(guò)器件的輸出電流對(duì)極板空間內(nèi)的物理參量進(jìn)行感知。文獻(xiàn)[13]對(duì)碳納米管的場(chǎng)發(fā)射特性進(jìn)行了建模分析,指出碳納米管的密集排布會(huì)造成嚴(yán)重的屏蔽效應(yīng),不利于放電電流的形成。文獻(xiàn)[14]對(duì)發(fā)射器(納米尖端)的場(chǎng)發(fā)射特性進(jìn)行了分析,指出空間電荷會(huì)沿著發(fā)射器進(jìn)行分布,所有這些電荷都會(huì)對(duì)發(fā)射器尖端的場(chǎng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響發(fā)射器之間的屏蔽。文獻(xiàn)[15]模擬了板-棒結(jié)構(gòu)下氣體放電的動(dòng)態(tài)過(guò)程,指出了單管模型放電時(shí)電子的動(dòng)態(tài)分布情況。但上述研究主要在多納米尖端的靜電場(chǎng)和單納尖端動(dòng)態(tài)電場(chǎng)方面進(jìn)行研究探討,其結(jié)論在多納米尖動(dòng)態(tài)電場(chǎng)是否符合還猶未可知,且在多納米尖和動(dòng)態(tài)電場(chǎng)下研究屏蔽效應(yīng)還可以對(duì)場(chǎng)致電離器件的放電電流進(jìn)行提升。通過(guò)仿真計(jì)算,得到動(dòng)態(tài)電場(chǎng)下不同尖端間距的等勢(shì)線分布圖及電子密度分布圖,對(duì)動(dòng)態(tài)電場(chǎng)下的屏蔽效應(yīng)做出進(jìn)一步說(shuō)明,并以優(yōu)化其內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參量即屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積間耦合關(guān)系的方式來(lái)提高板-棒結(jié)構(gòu)納米尖陣列的放電電流,這對(duì)場(chǎng)致電離器件輸出性能的提升有著非常重要的意義。

基于流體-化學(xué)動(dòng)力學(xué)混合方法[16-18],建立二維微場(chǎng)域板-棒結(jié)構(gòu)電暈放電模型,在常溫常壓下以N2-O2混合氣體為背景氣體進(jìn)行建模仿真。重點(diǎn)研究放電過(guò)程中的碰撞電離[19]及二次電子發(fā)射[20]等物理過(guò)程,為提高場(chǎng)致電離器件的輸出電流,探究屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積之間的耦合關(guān)系及其對(duì)放電電流的影響。

1 場(chǎng)致電離器件工作機(jī)理

場(chǎng)致電離器件利用納米尖端特有的尖端尺寸與長(zhǎng)徑比,能夠在納米尖端附近產(chǎn)生較高的場(chǎng)增強(qiáng)因子,進(jìn)而使電子在器件內(nèi)部獲得能量從而去碰撞氣體分子,進(jìn)而發(fā)生碰撞電離并產(chǎn)生新的電子(α過(guò)程)。電離出的電子在電場(chǎng)中獲得能量從而延續(xù)碰撞電離,形成電子雪崩。產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)(漂移過(guò)程)形成放電電流。在這個(gè)過(guò)程中,電離產(chǎn)生的正離子會(huì)在電場(chǎng)中獲得能量并不斷轟擊納米尖表面產(chǎn)生二次電子發(fā)射(γ過(guò)程),進(jìn)而不斷為電離反應(yīng)提供種子電子,從而使放電過(guò)程得以維持[21]。具體工作原理如圖1所示,其中μe和μi分別為電子和離子的遷移率,De和Di分別為電子和離子的擴(kuò)散率。

圖1 場(chǎng)致電離器件工作原理

由于納米線是生長(zhǎng)在基底上的線狀尖端,半徑為納米級(jí)別,高度為微米級(jí)別,且在基底上的分布較為均勻。因此筆者將此類線狀尖端統(tǒng)稱為納米尖端,生長(zhǎng)著此類尖端的電極稱為納米尖電極,以便后續(xù)描述。

2 仿真模型的建立

2.1 控制方程

傳統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)控制方程通常是由電子、正負(fù)離子連續(xù)性方程和泊松方程構(gòu)成[22]。文中在此基礎(chǔ)上加入等離子體化學(xué)反應(yīng)模型,并且在仿真中加入電離反應(yīng)、重離子反應(yīng)、碰撞反應(yīng)以及納米尖表面的二次電子發(fā)射過(guò)程?;诖藢?duì)N2-O2混合氣體放電空間進(jìn)行仿真。

控制方程為

(1)

Γe=-(μe·E)ne-De·ne

(2)

(3)

式中ne,Γe,Qe,μe,De分別為電子的密度、通量、凈生成率、遷移率和擴(kuò)散率;t為時(shí)間,s;E為電勢(shì),V;M為使電子數(shù)變化的反應(yīng)個(gè)數(shù)之和;xj和kj分別為方程式j(luò)中目標(biāo)物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)和化學(xué)反應(yīng)速率;Nn為中性粒子密度。

電子動(dòng)量方程為

(4)

式中me,ue,Pe分別為電子的質(zhì)量、漂移速率和壓力張量;q為核電荷數(shù);vm為電子動(dòng)量的傳遞碰撞頻率。

重粒子連續(xù)控制性方程為

(5)

jk=ρzwkVk

(6)

式中ρz為總混合物粒子數(shù)密度;wk,jk,Zk,Vk分別為粒子k的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、擴(kuò)散通量、反應(yīng)速率和多分量擴(kuò)散速率;um為質(zhì)量平均流體速度矢量。

泊松方程為

-·ε0εrU=ρb

(7)

式中ε0為真空介電常數(shù);εr為相對(duì)介電常數(shù);U為電壓,V;ρb為表面電荷密度。

2.2 等離子體反應(yīng)類型

文中仿真以空氣作為空間電離氣體,因此將背景氣體中N2和O2之比設(shè)置為4∶1。仿真共添加了11種物質(zhì)之間的25個(gè)反應(yīng),具體的化學(xué)反應(yīng)式[23]見(jiàn)表1,其中1~5為電子碰撞反應(yīng),6~19為重粒子反應(yīng)。

表1 N2-O2等離子體化學(xué)反應(yīng)式

2.3 邊界條件

納米尖陣列模型如圖2所示。其中納米尖端間距為s;V0=300 V;電阻R=1 kΩ;電容C=1 pF;底電極半徑L=150 um。由于研究環(huán)境為常溫常壓,因此將環(huán)境溫度和壓強(qiáng)分別設(shè)置為293.15 K和101.3 kPa。由于主要探究屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積之間的耦合關(guān)系,因此將極間距D、尖端長(zhǎng)度H和直徑d的值固定為較有利于放電的尺度[15,21],即D=45 um、H=15 um、d=100 nm。

圖2 納米尖陣列模型

正離子在轟擊棒板電極時(shí)會(huì)發(fā)生大量二次電子發(fā)射的現(xiàn)象,由于二次電子發(fā)射主要發(fā)生于勢(shì)壘高度較低的尖端處,因此尖端處的二次發(fā)射系數(shù)應(yīng)大于其他部分。二次電子發(fā)射系數(shù)與平均初始電子能通量的取值范圍通常為0.001~0.5 eV和1~5 eV[24]。在仿真中,二次電子發(fā)射系數(shù)和平均電子能通量取0.05 eV和4 eV,具體的表面反應(yīng)式及相關(guān)數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 表面反應(yīng)式

電子通量的邊界條件為

Γe=0.5vth,ene-γ∑qiΓi

(8)

(9)

離子通量的邊界條件為

Γi=0.5vth,inp+αnpEμi

(10)

(11)

中性粒子的邊界條件為

Γn=0.5vth,nnn

(12)

(13)

式中 Γe,Γi,Γn;vth,e,vth,i,vth,n;ne,np,nn分別為電子、離子和中性粒子的密度通量、熱速率和密度;μi,mi,qi分別為第i個(gè)粒子的遷移率、質(zhì)量和核電荷數(shù);me,mn分別為電子和中性粒子的質(zhì)量;kB為Boltzmann常數(shù);Te和T分別為電子溫度和環(huán)境溫度;γ為二次電子發(fā)射系數(shù);α為電離系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 屏蔽效應(yīng)對(duì)放電電流的影響

在一定條件下,納米尖端之間的屏蔽效應(yīng)是影響氣體電離過(guò)程的重要因素。電離器件陰極納米尖端的數(shù)量均為3根,旨在通過(guò)改變納米尖端間距的大小,進(jìn)而觀察尖端間距與屏蔽效應(yīng)之間的關(guān)系及其對(duì)放電電流的影響。

圖3為不同間距納米尖端的等勢(shì)線分布,其中圖3(a)、3(b)、3(c)的間距s分別為0.07H、0.3H和6.7H。從圖2(a)可以看出,由于陰極納米尖端之間的屏蔽效應(yīng),使等勢(shì)線沿納米尖端兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散,而位于中間的納米尖端幾乎被完全屏蔽。造成這種現(xiàn)象的原因是:當(dāng)陰極的納米尖端間距較小時(shí),中間納米尖端到兩側(cè)納米尖端基本處于同一電勢(shì),尖端之間的等勢(shì)線幾乎不彎曲;此時(shí)由于納米尖端附近有著相同的電勢(shì),尖端處于同一等勢(shì)面,納米尖端之間整體形成了一個(gè)類空腔,空腔具有屏蔽外電場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)。因此,位于中間的納米尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度要小于位于外側(cè)納米尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。隨著納米尖端間距的增加,屏蔽效應(yīng)逐漸減小。當(dāng)尖端間距s=0.3H時(shí),尖端間的等勢(shì)線已出現(xiàn)下沉,位于中間的納米尖端逐漸暴露出來(lái)。當(dāng)尖端間距s=6.7H時(shí),各個(gè)尖端已經(jīng)幾乎不再相互影響,等勢(shì)線分布狀態(tài)接近于尖端本身的獨(dú)立放電。

圖3 不同間距納米尖端等勢(shì)線分布

為了得到尖端間距與屏蔽效應(yīng)和放電電流之間的關(guān)系,將對(duì)納米尖端頂部處的電場(chǎng)強(qiáng)度作為參考進(jìn)行對(duì)比分析。將計(jì)算得到的位于中間位置的納米尖端頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度記為局部電場(chǎng)強(qiáng)度EN;在同樣條件下,計(jì)算得到單根納米尖端的放電模型,取單根納米尖端頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度記為局部電場(chǎng)強(qiáng)度EO;將納米尖端之間的屏蔽率η定義為式(14)

(14)

屏蔽率與納米尖端間距之間的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出,納米尖端間的屏蔽效應(yīng)隨尖端間距的增加而減?。划?dāng)尖端間距s=0.07H時(shí),屏蔽率高達(dá)71.6%;而當(dāng)尖端間距增大到s=6.7H時(shí),屏蔽率則減小到了0.7%,這說(shuō)明陣列中的納米尖端的發(fā)射效率已經(jīng)達(dá)到了其無(wú)屏蔽效應(yīng)時(shí)的99%,發(fā)射效率已經(jīng)非常高;當(dāng)尖端間距繼續(xù)增大到s=7.3H時(shí),屏蔽率可以減小到0.5%;因此,在納米尖端高度H=15 um的情況下,當(dāng)尖端間距s>6.7H時(shí),可以忽略尖端之間的屏蔽效應(yīng)。

圖4 屏蔽率與放電電流隨尖端間距的變化情況

為得到納米尖端間的屏蔽效應(yīng)對(duì)放電電流的影響,采用有限元法結(jié)合邊界條件對(duì)二維軸對(duì)稱納米尖陣列進(jìn)行了數(shù)值模擬。在計(jì)算中,保持陰極尖端數(shù)量為3根,以此保證納米陣列發(fā)射面積的一致;納米尖端間距的變化范圍為0.07H~7.3H,可以得到電流密度隨尖端間距增大的變化情況,從圖4可以看出,隨著尖端間距的增大,放電電流也隨之增大;當(dāng)尖端間距s=6.7H后,放電電流的增幅較之前有明顯減弱。造成這種現(xiàn)象的原因是:起初納米尖端之間的間距較小,在尖端數(shù)量相同的情況下,尖端之間的屏蔽現(xiàn)象較為嚴(yán)重,因此隨著尖端間距的增加,尖端的電流密度呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì);而隨著尖端間距增加至s=6.7H時(shí),由于屏蔽率已經(jīng)減小到0.7%,因此,隨著尖端間距的增加,電流盡管也在增加,但增幅十分微小,電流增幅的大小逐漸降低。

3.2 尖端屏蔽效應(yīng)的動(dòng)態(tài)描述

場(chǎng)致電離器件的放電機(jī)理主要體現(xiàn)在放電過(guò)程中電子的動(dòng)態(tài)過(guò)程中。由3.1可知,在納米尖端間距達(dá)到6.3H時(shí),尖端間的屏蔽效應(yīng)可以忽略不計(jì)。為了更清晰地觀察到不同間距下納米尖端動(dòng)態(tài)放電過(guò)程的變化,因此將管間距s分別設(shè)置為0.3H和6.7H,觀察不同屏蔽率η下動(dòng)態(tài)放電過(guò)程中的變化。

圖5所示為不同間距納米尖端電子動(dòng)態(tài)分布,其中圖5(a)、(b)的間距分別為s=0.3H和s=6.7H??梢钥闯?,兩者的放電過(guò)程基本一致。隨著放電過(guò)程的發(fā)展,電子首先均整體向陽(yáng)極推進(jìn);之后陰極納米尖端附近的電子密度逐漸增加,形成了密度較大的電子團(tuán);之后電子團(tuán)逐漸向陽(yáng)極移動(dòng),最終到達(dá)陽(yáng)極;電子團(tuán)在陽(yáng)極維持一段時(shí)間后又向陰極移動(dòng);最終在陰極附近某處保持穩(wěn)定。

這種放電現(xiàn)象形成的原因是:通電初期,在電容C的作用下,器件陰極的外加電壓緩慢上升,此時(shí)由于空間內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電子能量較小,不易發(fā)生碰撞電離,因此主要表現(xiàn)為電子整體向陽(yáng)極遷移。由于納米尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較大,因此會(huì)在相應(yīng)的軸線上有電場(chǎng)的增強(qiáng),因此尖端上方的電子會(huì)以更快的速度向陽(yáng)極移動(dòng),所以整體的電子密度會(huì)呈現(xiàn)波浪狀,如圖5(a)、(b)中a1、b1所示。隨著電壓的升高,間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加,納米尖端附近的場(chǎng)強(qiáng)也隨之增加,隨著尖端附近場(chǎng)強(qiáng)的增加,大量正離子撞擊尖端產(chǎn)生二次電子發(fā)射,產(chǎn)生的二次發(fā)射電子成為了表1中反應(yīng)式(1)、(2)的種子電子,因此尖端附近的電子密度增加,如圖5(a)、(b)中a2、b2所示。納米尖端產(chǎn)生的二次發(fā)射電子在電場(chǎng)的作用下獲得能量,在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與間隙中的氣體分子發(fā)生碰撞電離,碰撞電離產(chǎn)生的電子又會(huì)在電場(chǎng)的作用下獲得能量并碰撞其他的氣體分子進(jìn)而引起電子雪崩,電子也因此在間隙中得以增值。當(dāng)電子團(tuán)到達(dá)陽(yáng)極時(shí),會(huì)與器件表面發(fā)生復(fù)合而消失。但由于間隙中的碰撞電離仍在繼續(xù),間隙中的電子仍在持續(xù)產(chǎn)生,且速率不斷提高,這使得被復(fù)合的電子數(shù)小于新產(chǎn)生的電子數(shù),因此電子團(tuán)在陽(yáng)極持續(xù)了一段時(shí)間且密度不斷增加,如圖5(a)、(b)中a3、b3所示。電離產(chǎn)生的正離子不斷向陰極移動(dòng),使納米尖端附近的場(chǎng)加強(qiáng)作用不斷增加,因此二次電子發(fā)射數(shù)量也隨之增加,致使尖端附近電子密度不斷增加;在陽(yáng)極附近,由電子附著反應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)離子不斷累積,使其與陽(yáng)極之間的場(chǎng)加強(qiáng)作用增強(qiáng),致使電子在陽(yáng)極復(fù)合的速率加快;在二者的共同作用下,尖端附近的電子密度不斷增加,陽(yáng)極附近的電子密度相對(duì)減小,整體表現(xiàn)為電子團(tuán)向尖端方向移動(dòng),如圖5(a)、(b)中a4、b4所示。某一時(shí)刻,正負(fù)離子的產(chǎn)生與消耗達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)電子團(tuán)會(huì)停留在間隙之間的某個(gè)位置,空間電子分布達(dá)到穩(wěn)定的局部自持放電,如圖5(a)、(b)中a5、b5所示。這與文獻(xiàn)[15]所述情況一致。

圖5 不同間距納米尖端電子動(dòng)態(tài)分布/(1·m-3)

從圖5(a)、(b)可以看出,當(dāng)尖端間距s=0.3H時(shí),3根納米尖端的放電過(guò)程出現(xiàn)了由屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致的電子團(tuán)聚合現(xiàn)象,且一直存在于整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程之中;而當(dāng)納米尖端間距s=6.7H時(shí),各納米尖端的動(dòng)態(tài)放電過(guò)程基本相互獨(dú)立,屏蔽效應(yīng)基本消失,這與3.1所述的結(jié)論相符。本節(jié)通過(guò)對(duì)納米尖端動(dòng)態(tài)放電過(guò)程的觀察,進(jìn)一步印證了3.1的結(jié)論,并且對(duì)整個(gè)微電暈放電機(jī)理的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析。

3.3 尖端屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積的耦合機(jī)制

由3.1與3.2可知,在底電極大小確定的情況下,隨著納米尖端間距的不斷增大,尖端間的屏蔽效應(yīng)會(huì)逐漸減小,當(dāng)尖端間距大于等于6.7H時(shí),其屏蔽效應(yīng)可以忽略不計(jì)。雖然隨著納米尖端間距的增大,尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng),屏蔽效應(yīng)減小,但如果僅增大尖端間距,會(huì)使單位面積內(nèi)納米尖端的數(shù)量減小,即有效發(fā)射面積減小,這會(huì)導(dǎo)致整體放電強(qiáng)度減弱,最終使放電電流減小[25]。同理,隨著尖端間距的減小,雖然使得單位面積內(nèi)納米尖端的數(shù)量增大,但如果僅增加尖端數(shù)量,會(huì)使尖端周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度減小,屏蔽效應(yīng)增大,導(dǎo)致整體放電強(qiáng)度減弱,最終使放電電流減小。因此將進(jìn)一步探究不同尖端間距與尖端數(shù)量對(duì)空間放電的影響,即探究場(chǎng)致電離器件陰極板的最佳尖端間距,使其在減小屏蔽效應(yīng)的同時(shí),盡量增大納米尖端的數(shù)量,進(jìn)而提高電離器件的放電電流。

為了探究屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積之間的耦合關(guān)系,在底電極半徑L=60 um的情況下,對(duì)不同尖端間距及其對(duì)應(yīng)的尖端數(shù)量進(jìn)行仿真計(jì)算,具體的數(shù)值見(jiàn)表3。進(jìn)而探究當(dāng)電離器件底電極大小一定的情況下,納米尖端間屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積之間的耦合關(guān)系對(duì)放電電流的影響。

表3 不同尖端間距下尖端數(shù)量與屏蔽率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6為屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積耦合對(duì)放電電流的影響??梢钥闯?,隨著尖端間距的不斷增大,放電電流呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)尖端間距s=0.9H時(shí),放電電流達(dá)到最大。造成此現(xiàn)象的原因是:當(dāng)s<0.9H時(shí),隨著管間距的增大,雖然極板上的納米尖端數(shù)量有所減小,但尖端間的屏蔽效應(yīng)也隨之減小,表現(xiàn)出因尖端間距增大導(dǎo)致屏蔽率減小對(duì)放電強(qiáng)度的增強(qiáng)作用大于因尖端數(shù)量減少對(duì)放電強(qiáng)度的減弱作用,從而致使放電強(qiáng)度增大,放電電流增強(qiáng)。即當(dāng)管間距從0.6H增加至0.9H時(shí),納米尖端數(shù)量由13減小至9,從而致使放電電流由5.6 mA增大到6.3 mA。當(dāng)尖端間距s=0.9H時(shí),尖端間距與尖端數(shù)量間的耦合關(guān)系對(duì)空間放電的促進(jìn)作用達(dá)到最佳,放電電流達(dá)到最大。當(dāng)s>0.9H時(shí),再次增大尖端間距,雖然納米尖端周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng),但其增強(qiáng)作用不足以彌補(bǔ)由于發(fā)射極數(shù)量減小致使二次電子發(fā)射面積和總場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域減小,從而使得放電電流減小。

從圖6可以看出,當(dāng)納米尖端間距s=0.9H時(shí),該尺度下場(chǎng)致電離器件的放電強(qiáng)度最強(qiáng),輸出電流最大,屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積之間的耦合關(guān)系達(dá)到最佳。

圖6 屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積耦合對(duì)放電電流的影響

4 結(jié) 論

1)在所述尺度下的納米尖陣列中,隨著納米尖端間距的增加,尖端間的屏蔽效應(yīng)會(huì)逐漸減弱,當(dāng)尖端間距增加到s=6.7H時(shí),納米尖端之間的屏蔽效率μ減弱至0.7%,且放電電流因屏蔽效應(yīng)的減弱而逐漸增加。

2)在所述尺度下的納米尖陣列中,將納米尖端間距設(shè)置為s=6.7H,可以觀察到,各尖端的電子密度動(dòng)態(tài)過(guò)程基本一致,且電子團(tuán)之間的聚合現(xiàn)象幾乎沒(méi)有;因此,在納米尖端間距s=6.7H時(shí),尖端之間的屏蔽效應(yīng)可以忽略不計(jì)。

3)經(jīng)仿真驗(yàn)證,通過(guò)探究最有利于放電的尖端間距,即最佳的納米尖陣列形貌,得出在所述的尺度下,當(dāng)尖端間距s=0.9H時(shí),常壓微電暈放電的放電電流最大,屏蔽效應(yīng)與發(fā)射面積之間的耦合關(guān)系達(dá)到最佳。

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