基于COMSOL辉光放电带电粒子特性模拟分析

为了研究空芯光纤中氩气的放电特性，采用软件COMSOL的有限元方法计算相应的数学等式，基于等离子体放电理论，建立了圆柱型二维直流辉光放电流体模型。得到氩气放电在不同电压下反应腔内电子流密度、电子密度、激发态氩原子密度、电子温度等粒子密度的变化和在阴极区不同电压下粒子密度和电子温度的变化，最后对距离阴极区0.1 m的空间电荷密度做了分析。结果表明：随着电压的增大，阴极区粒子密度呈现出逐渐增加的趋势并且电子流密、电子密度和电子温度在100 V时变化明显。由于反应腔内的氩气量的影响，激发态氩原子密度和空间电荷密度随着电压的增大趋于稳定。

空芯光子晶体光纤(photonic crystal fiber, HC-PCF)由Cregan 等人基于光子带隙原理研制， 实现了光在空芯中传播[1]。HC-PCF 也利用其特性[2] [3]，扩展到很多传感器领域研究[4] [5] [6]。气体放电是我们经常看到的现象，如天空中的闪电和家庭中的日光灯，这是由于在电场作用下或其他激励下气体产生的电离。而惰性气体放电成为气体放电研究中的热点，国内的石鑫[7]和国外的Hong Y J，Lee S M，Kim G C等[8]都做出对应的研究。

辉光放电会产生大量的等离子体，它是物质的第4 种状态，并且包含大量的带电粒子。等离子体的特性和辉光放电的特性紧密相连，如放电的电压、温度、气压等。国内的邵先军第一次使用有限元法建立了一维氩气直流辉光放电自洽流体模型， 并对带电粒子的浓度、二次电子和总通量密度做出了研究[9]。

高媛等以氢气为研究对象，对放电过程中的21 种碰撞反应类型进行了模拟，起作用的有11 种非弹性反应类型，并且这些是形成等离子体的主要反应[10]。2021 年国外的Lisin Evgeny A.和Kononov Evgeny A.

等首次对粒子悬浮区域的粒子间相互作用和地层电场进行了定量研究。在辉光放电中也首次观察到离子流对下游粒子的放电效应[11]。

1962 年Ward 等人在基于带电粒子的连续性方程和泊松方程的基础上对直流辉光放电等离子体的特性进行了研究，并得到了丰硕的成果[12]。近年来学者对等离子体粒子[13] [14]和电子温度[15] [16]做了大量的研究。由于在放电的过程很复杂，只是简单的实验不能很好的理解放电过程，数值模拟以其制作成本较低等优势并可以很好的解释放电原理， 成为了现代研究辉光放电方式的热点[17] [18]。

为了更加直观的观察到粒子的变化、进一步了解粒子的反应， 本文在以上研究的基础上， 笔者通过COMSOL 有限元软件，建立二维的直流辉光放电模型，充入氩气惰性气体进行模拟仿真。研究不同电压下的电子流密度、