粒子密度对弧后鞘层的影响

电流过零后触头之间的粒子成分有金属蒸气和带电粒子，下面分述它们各自的影响。

1.金属蒸气密度对弧后鞘层的影响

图5-20给出了金属蒸气密度为10¹⁸/m³、10²⁰/m³、10²¹/m³、10²²/m³时鞘层厚度随时间的变化情况。其中开距为5mm；离子密度为10¹⁷/m³；电子密度为2×10¹⁷/m³；TRV斜率取1kV/μs；电子、离子、原子初始能量分别取3.5eV、2eV、0.2eV。当金属蒸气密度为10¹⁸/m³和10²⁰/m³时，鞘层的发展规律基本一致，大约1.5μs鞘层过程结束。这表明在金属蒸气密度较小时，金属蒸气对鞘层厚度变化的影响不大。而在金属蒸气密度增大到10²¹/m³，鞘层运动速度开始减慢。金属蒸气密度增大到10²²/m³时，鞘层发展速度降低的趋势更为明显。这是因为作为靶目标的金属蒸气密度较大时，离子与金属蒸气的碰撞频率也将增高，而模型中假设离子与金属蒸气存在两种碰撞类型：弹性碰撞和电荷交换碰撞。中性金属蒸气和离子发生弹性碰撞之后，离子将损失一部分能量并散射出去，这样离子速度将降低，影响了扩散出间隙的速度；而如果发生电荷交换碰撞，速度较慢的金属蒸气粒子将电子传递给离子成为新离子，新产生的离子速度远远低于原来间隙的离子，这也将减慢扩散速度。以上结果表明，金属蒸气只有高于某个门限值时才会对鞘层产生明显影响，如果金属蒸气密度较低则不会对离子的扩散产生太大的影响。在本仿真条件下，这个门限值为10²⁰/m³。

图5-20 金属蒸气密度对鞘层厚度的影响

图5-21给出了金属蒸气密度分别为10¹⁸/m³、10²⁰/m³、10²¹/m³、10²²/m³时离子随时间的衰减情况。其中开距为5mm；离子密度为10¹⁷/m³；电子密度为2×10¹⁷/m³；TRV斜率为1kV/μs；电子、离子、原子初始能量分别为3.5eV、2eV、0.2eV。从图中可以看出，随着金属蒸气密度的升高，离子密度的衰减速度相应变慢。在金属蒸气密度小于10²⁰/m³时，离子数变化受金属蒸气密度变化影响不大，而在金属蒸气密度大于10²¹/m³时离子数随时间的衰减明显随金属蒸气密度的升高而减慢。这个结果与上面得到的鞘层发展过程相一致，表明当中性金属蒸气密度超过某一门限值时，会影响到离子的运动和扩散。

2.离子密度对弧后鞘层的影响(www.xing528.com)

图5-22给出了离子密度分别为10¹⁶/m³、10¹⁷/m³两种情况下的鞘层厚度随时间变化的情况。其中，电子密度分别为2×10¹⁶/m³、2×10¹⁷/m³；开距为5mm；金属蒸气密度为10¹⁸/m³；TRV斜率取1kV/μs；电子、离子、原子初始能量分别为3.5eV、2eV、0.2eV。从图中可以看出，当离子密度为10¹⁶/m³时，鞘层的发展时间为0.715μs，而当离子密度增加到10¹⁷/m³时，鞘层的发展时间也增加到了1.605μs。这说明离子密度的增加同样会影响到鞘层的发展，因为此时的中性金属蒸气密度为10¹⁸/m³，从上面的结果可以看出，此时的离子与中性金属蒸气的碰撞并不起主要作用，所以离子与离子之间的相互影响将主导此时离子的扩散。离子密度越高，则意味着离子-离子之间的影响越明显，离子需要更长的时间才能扩散出触头间隙。

图5-21 金属蒸气密度对离子衰减的影响

图5-22 离子密度对鞘层厚度的影