[发明专利]考虑离子动力学的电子群参数并行计算方法及相关装置

说明书

本发明公开了一种考虑离子动力学的电子群参数并行计算方法及相关装置，包括：测量气体在约化场强下的放电电流波形，得到实测电流波形；建立耦合电子电荷密度和不同种类离子电荷密度的电子崩时空发展模型；根据电子崩时空发展模型，采用有限体积法计算气体在约化场强下的放电电流波形，得到计算电流波形；采用遗传算法，以实测电流波形与计算电流波形的偏差最小为优化目标，计算气体在约化场强下的电子群参数。本发明基于Matlab和CUDA平台，采用遗传算法，以脉冲汤逊实测电流波形与仿真电流波形偏差最小为优化目标，在电子动力学的基础上进一步考虑离子动力学，应用并行算法加速寻优获得各种气体的电子群参数，方便、准确、快速的为等离子体模拟提供基础数据。

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，涉及一种考虑离子动力学的电子群参数并行计算方法及相关装置。

背景技术

等离子体技术是一种重要的加工处理技术，在多个领域均有重要应用，并逐渐发展成为微电子、半导体、材料、航天、冶金等产业的关键技术，在生物、医药、临床和环境等领域也有广泛应用。

等离子体是由大量粒子所组成的集合，其中包含电子、离子以及中性分子。电子在电场作用下与中性分子的碰撞行为是描述等离子体性质的重要维度。这些碰撞行为包括电离、吸附、解吸附、离子转换等过程。描述电离、吸附等过程的反应速率系数以及电子漂移速度、电子扩散系数等参数统称为电子群参数，电子群参数是进行等离子体数值模拟的重要输入参数。

电子群参数可以通过求解玻尔兹曼方程的方法计算得到，但是需要输入与之对应对的碰撞截面数据，这些碰撞截面数据往往是较难获得的。电子群参数还可以通过群实验测量得到。电子群实验是上世纪70年代逐渐发展并普遍开展的实验。此类实验可以用于测量混合气体预放电(低温)等离子体的放电参数和电子输运系数，并从中拟合气体的碰撞截面等微观参数。这些反应速率系数、输运系数和碰撞截面都是进行气体中放电等离子体模拟的重要基础参数。根据初始电子的产生方法和相应实验原理，可以将电子群实验分为稳态汤逊实验(Steady-state Townsend,SST)和脉冲汤逊实验(Pulsed Townsend,PT)。SST实验方法相对简单，其描述电子崩的参数模型也比较简单，因此只能获得电离和吸附系数，无法获得电子输运参数。PT实验是通过紫外激光脉冲释放初始电子，在电场中形成单个电子崩向阳极运动，形成脉冲的电流波形。PT实验对装置精度要求高，且需要更加复杂的物理模型对电子崩的时空发展过程进行描述，因此不仅可以获得电离和吸附系数，还能得到电子的漂移和扩散系数。

然而，当前针对脉冲汤逊实验的分析模型大多只建立在考虑电离和吸附反应的电子动力学模型基础上，只针对少量气体建立了离子动力学分析模型，这导致难以通过PT实验准确获取解吸附速率系数和离子转换速率系数。不准确和不完整的电子群参数作为等离子体数值模拟的输入参数，将使得在不同气压、不同电场等条件下的模拟结果值得怀疑。离子动力学是指在电子动力学的基础上增加考虑解吸附和离子转换过程。研究结果表明，大量气体的特殊构型导致在电子崩发展过程中可能产生三体碰撞吸附、电离解离(dissociative ionization)、吸附解离(dissociative attachment)、解吸附(detachment)以及离子转换(ion conversion)等复杂反应，因此发展先进的PT实验技术，建立考虑离子动力学过程的电子崩时空发展模型，精确测量气体的电子群参数，对研究等离子体技术至关重要。

此外，一些仅有的离子动力学模型往往采用解析方法求解，这导致计算难度大，只能适应单一气体，因此亟需建立一种通用的、快速的、准确的考虑离子动力学的电子群参数计算方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种快速、准确、通用的基于脉冲汤逊实验的考虑离子动力学的电子群参数并行计算方法及相关装置

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种考虑离子动力学的电子群参数并行计算方法，包括以下步骤：