依據直流輝光放電理論，考慮帶電粒子的連續性方程、泊松方程以及在電磁交叉場條件下的麥克斯韋方程組，利用數值模擬方法研究了壓強對等離子體交叉場調制開關(簡稱PCMS 管)中電子溫度、擊穿電壓、著火時間以及電子密度分布的影響。得出了小型PCMS 管中壓強設置的合理取值范圍，所得模擬結果與實驗測試結果一致。

　　作為一種新型的冷陰極等離子體脈沖功率放電器件，等離子體交叉場調制開關是基于直流輝光放電理論，在電場和磁場共同作用下產生等離子體，從而實現系統的通導過程。

　　多年以來，人們對氣體放電的研究更多的傾向于對氦、氬等惰性氣體的研究，而研究中多數又是對陰極表面溫度的設定、陰極材料的選取、陰極幾何形狀的確定、二次電子的發射、電子溫度、電極間距等方面所進行的研究。本文認為，放電器件內的壓強，對整個放電過程也有著重要的影響，特別是系統內的電子溫度、帶電粒子的遷移率、擴散系數、中性分子的電離率等描述等離子體的相關參數均與壓強有著十分重要的關系。為此，對系統內壓強設置的研究，是對PCMS管研究優化的一個重要側面。

　　考慮到開關器件研制的時間較長，經濟負擔較大，所以，數值模擬方法的采用是積極有效的。目前，人們對數值模擬主要采用有限時域差分法，相對于該方法，有限元法具有能夠處理復雜的邊界條件，計算周期相對較短，適用于多物理場耦合等優點，因此真空技術網(http://shengya888.com/)認為筆者選用有限元法來研究壓強對等離子體交叉場調制開關管放電過程的模擬計算的方法是非常正確的。

模型的建立與模擬

　　參考前期對冷陰極交叉場調制開關的實驗數據，從結構上對該器件做了相應的優化。最終確定的系統電極間距如圖1 所示。本文討論的條件為陰極—源柵極相距8 mm時，預電離狀態下氣體放電的穩定過程。圖2 為PCMS 管陰極—源柵極的二維示意圖。其中，r 為對稱軸，左端為源柵極，右端是陰極，極間距離為8 mm，極板間充滿壓強為P 的氫氣，系統處于室溫狀態(300 K)。

　　圖6是不同壓強條件下，著火時間(實線)和穩態(虛線)時電子濃度的分布情況。其中橫軸表示PCMS 管的軸向長度，縱軸表示電子密度分布。從圖中可以看出，隨著壓強的增大，穩態時的電子密度不斷增加，達到著火時間時電子密度保持在0.5×10¹⁶ 個/m³ 以上，并且電子密度分布區域不斷向兩個絕緣壁增加。可以認為，由于壓強的增大，電子和中性分子碰撞次數隨之增加，磁場不斷的改變電子的運動方向，對電子的約束能力減弱，從而電子密度分布范圍不斷向絕緣壁擴大，易發生絕緣壁的擊穿導通，從而影響器件內部的工作過程。針對以上模擬現象，以及對比不同壓強下PCMS 管的工作特性參數可以得出，首先，壓強過小會導致電離氣體產生的等離子體密度很低，系統不能滿足形成等離子體的閾值條件，如在模擬過程中，p<100 Pa時，電子密度趨近于0;同時，實驗發現，當U 氫為5.5 V 和5.8 V 時，裝置內部對應的工作氣體壓強較低，因而陽—陰極放電電流較小，與之對應的是裝置內部阻抗較大，與負載電路的匹配性不好。其次，壓強過大，電子密度分布范圍較寬，易導致絕緣壁的擊穿導通。因此，綜和考慮各種因素認為，PCMS 管內真空度應選擇在133 Pa~200 Pa 之間為佳。

　　在其他參數不變的情況下，改變壓強的大小對PCMS 管特征參數變化有很大影響。通過模擬分析以及實驗驗證得出，在陰極—源柵極間距為8 mm，磁場大小約為0.06 T 時，PCMS 管壓強的工作范圍在133 Pa~200 Pa 之間，擊穿電壓范圍為400 V~700 V。并且電子溫度隨著壓強的增大以拋物線形式遞減，著火時間隨著壓強的增大呈冪指數形式遞減，陰極位降區域變化與壓強成反比關系。