仿真结果展示：电子、离子能量分布

在弧后鞘层的发展过程中，电子、离子的能量分布和弧后早期是否发生重击穿有着直接的联系。因此，研究弧后鞘层中的电子、离子能量对了解鞘层过程对重击穿现象的影响具有重要意义。由于弧后鞘层中粒子处于非平衡状态且速度分布不满足麦克斯韦分布，因此了解弧后粒子的能量分布对完善基础理论有指导意义。

1.金属蒸气密度为10¹⁸/m³时的电子能量、离子能量分布

图5-27给出了金属蒸气密度为10¹⁸/m³，电流过零后0μs、0.5μs、1μs、1.5μs时的粒子能量分布情况。其中开距为5mm；金属蒸气密度为10¹⁸/m³；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、原子初始能量分别取3.5eV、2eV、0.2eV。

图5-27 金属蒸气密度为10¹⁸/m³时的粒子能量分布函数

a）电子能量分布 b）离子能量分布

由图5-27a可以看出，电子的能量分布随着时间的推移，电子的总体能量逐渐变小，高能量的电子数量逐渐减少。这是由于，电子的运动速度较高，在电流过零后，运动速度较高的电子迅速运动至触头表面，被触头吸收，而不能在电场中充分地加速。

由图5-27b可以看出，与电子相同，离子的能量分布同样不满足麦克斯韦分布。然而，与电子的情况相反，离子的能量随着时间的增加而相应增加，高能离子的数量随着时间而增长。这是由于，和电子相比，离子的运动速度较低，不会在很短的时间内被触头大量吸收，因此，离子可以在电场中充分地加速，因而，其能量会随着时间而增加。(www.xing528.com)

2.金属蒸气密度为10²²/m³时的电子能量、离子能量分布

图5-28给出了金属蒸气密度为10²²/m³，电流过零后0μs、0.5μs、1μs、1.5μs时的粒子能量分布情况。其中开距为5mm；金属蒸气密度为10¹⁸/m³；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、原子初始能量分别取3.5eV、2eV、0.2eV。

图5-28 金属蒸气密度为10²²/m³时的粒子能量分布函数

a）电子能量分布 b）离子能量分布

由图5-28a中可以看出，金属蒸气密度较高时电子能量的变化趋势与金属蒸气密度较低时一致，但由于此时碰撞产生的离子密度较高，电子受到离子电场力、库仑碰撞的作用增强，因而运动速度减慢。因此，高能电子需要更长的时间才能被吸收。

由图5-28b中可以看出，金属蒸气密度较高时离子能量的分布与金属蒸气密度较低时呈现出明显的不同。当金属蒸气密度为10²²/m³时，在0.5μs内，大多数离子的能量降到了1eV以下。这是由于，当金属蒸气密度较低时，离子的自由程较长，离子可以在电场中较充分地加速；而当金属蒸气密度较高时，离子的自由程明显变短，离子与原子碰撞的概率大大增加，在这种碰撞过程中，离子损失了大量能量。