磁化氢气脉冲放电的PIC/MC/DSMC模拟研究

Magnetic pulsed discharges in hydrogen are important plasma reactors in fusion researches, particle sources and semiconductor industry. Understanding these discharges will promote many related researches significantly. However, due to multiple scale coupling and complex atom-molecular collision processes involved, the breakdown process and evolution of these discharges are still not very clear. In this proposal, we will develop a three dimensional full space-time scale and electromagnetic Particle-In-Cell/Monte Carlo/Direct Simulating Monte Carlo (PIC/MC/DSMC) model to study these discharges. All collision processes and electromagnetic interactions will be integrated into a unified frame. With this code, we will try to elucidate the fundamental process in magnetic pulsed hydrogen discharges, such as pre-ionized plasma in magnetic target fusion and gas puff Z-pinches.

磁化氢气脉冲放电等离子体在磁约束与惯性约束聚变，离子源和微电子制造工艺中都具有非常重要的应用。氢气的脉冲放电是产生氢等离子体的重要手段之一，理解脉冲放电等离子体的形成机制有助于相关实验装置的设计和优化。由于涉及到多尺度耦合和复杂的原子分子过程，对脉冲放电的全时-空过程研究存在极大的困难，需要大量的数值模拟作为支持。本研究针对磁化氢气脉冲放电建立3D全电磁的PIC/MC/DSMC模拟程序，统一考虑带电粒子和中性气体分子的运动与碰撞过程，并研究击穿全过程中的等离子体形成，从而获得对氢气脉冲放电过程中等离子体产生和演化全过程，从而为相关磁化靶聚变中预电离等离子体、喷气式Z箍缩、等离子体透镜等相关实验提供参考。

我们建立了自洽磁化氢气脉冲放电等离子体源的物理模型，发展了粒子模拟方法(Particle-In-Cell,PIC)、蒙特卡罗Monte Carlo(MC)、直接蒙特卡洛方法direct simulation Monte Carlo(DSMC)耦合模型，研究反场构形、微等离子体、离子束驱动的温稠密等离子体等几种重要的磁化放电构型中氢及其同位素气体放电的性质。可以模拟由冷的中性气体开始，考虑完整的各种激发、电离等原子分子过程，直至发展为到完全电离等离子体，模拟跟踪了所有重要的组分，包括电子、离子和中性原子的运动，获得它们反应、转化和输运的具体信息。本项目开发的PIC/MC/DSMC算法和程序可以用于研究脉冲氢气放电各种物理过程和机制外，也可以用于一大类跟气体放电相关的问题，包括低温等离子体、聚变等离子体、空间等离子体等。