模拟vs实验(二):电流验证的可靠性

实验模拟对照 发布于 2023-9-11 00:00

本期分别举一个0维和一个二维数值模拟与实验对照的案例,小结一下电流特性验证的可靠性。

在往期推送“模拟vs实验(一)”中介绍了一些简单的OES和数值模拟互验方法,这些方法尽管简单,但是门槛依旧不小——一个具有良好时间、空间分辨率的光谱仪或者ICCD往往价格不菲,对实验人员技能和理论基础的要求同样苛刻。因此,成本相对低廉的电压电流特性验证往往是评估初步结果的首选。

同上期一样,本期分别举一个0维和一个二维数值模拟与实验对照的案例,小结一下电流特性验证的可靠性。


零维-无介质放电

研究一类毛细管针-针快速电离波放电(下图所示)。放电在一端针尖产生并迅速传播到另一端,在毛细管内形成均匀的等离子体放电。

实验中,通过电压探针延管移动测量电压进一步得到估算电场,与通过测量电极两端电压换算出来的电场结合形成比较准确的结果。电流通过回流分流器测量;模拟中电流计算比较简单,在已知实验电场的情况下,通过NANA化学反应动力学代码计算得到电子密度ne,则电流I=μEne。实验与模拟完美吻合:


二维-介质阻挡放电

我们将研究对象扩展到二维非均匀放电,并引入介质,如下图实验构型所示(表面介质阻挡放电):

实验中,电极电压可以直接测量。测量电流时,先测量了加压未放电情况下的电流I1(位移电流),再将电压放大至放电电压,测量电流I2,实验电流即为I=I2-I1*ratio。二维数值模拟使用工坊PASSKEy求解器,在金属电极边界给定实验电压后,收集电极电荷通量得到电流。对比结果如下:

实验与计算结果对比出现了几个非常有意思的情况:

  • 电压相同,电极宽度不同时,实验电流密度居然不同。随着电极宽度变大,与假设电极无限宽的二维模型计算结果逐步接近;

  • 正电压下实验与计算结果吻合度好于负电压——原因可能是负电压下电流主要是离子电流,而高电场下离子迁移率目前没有比较精确的数据;

  • 无论是正电压作用还是负电压,电流在放电5ns以后会出现第二个峰,而计算结果没有这个现象——这可能是由放电时位移电流导致的,目前仍然难以解释。

由上可见,实验与计算电流,在均匀放电、无介质放电、精确已知电场等情况下可以定量对比……而在存在电容器件(介质)、负电压或复杂放电结构的情况下,可能会出现一些实验和计算都无法解释清楚的状况,只能定性的对比电流,作为一个初步评价结果的手段。


p.s. 第二个算例中,实验电流的奇特表现目前尚无可以验证的解答。工坊期待粉丝中的实验大神们提出自己的看法验证的方法

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