[论文解读] Investigation of positive streamers in CO$_2$: experiments and 3D particle-in-cell simulations

Xiaoran Li, Dijcks, Siebe+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications被引用 4

一句话总结

本研究采用带有蒙特卡洛碰撞的二维粒子-网格模拟，探究在离子化光子产量低且吸收长度短的CO₂中，光电离是否能维持正流光放电的传播。结果表明，即使光电离微弱，只要电场强度接近击穿阈值，仍可实现自持的流光生长；并提出了基于光电离反馈的自持生长判据。

ABSTRACT

We investigate the propagation of positive streamers in CO$_2$ through 3D particle-in-cell simulations, which are qualitatively compared against experimental results at 50 mbar. The experiments show that CO$_2$ streamers are much more stochastic than air streamers at the same applied voltage, indicating that few electrons are available in front of the streamer head. In the simulations, we include a photoionization model for CO$_2$. The computational results show that even a small amount of photoionization can sustain positive streamer propagation, but this requires a background electric field close to the critical field. When we compare streamers in CO$_2$ and in air at the same applied voltage, the electric field at the streamer head and the electron density in the streamer channel are higher in CO$_2$. We discuss the uncertainties in CO$_2$ photoionization and provide an estimate for the quenching pressure, which is based on the radiative lifetime of emitting states and the collision frequency of the gas. Furthermore, a criterion for self-sustained streamer growth in CO$_2$ is presented and compared against simulation results.

研究动机与目标

• 确定在离子化光子产量低且吸收长度短的CO₂中，光电离是否能维持正流光放电的传播。
• 解决实验观测与先前流体模拟之间的矛盾，后者认为由于光电离可忽略，CO₂中流光传播速度更快。
• 基于CO₂中光电离反馈，提出自持流光生长的判据。
• 评估2D笛卡尔几何对流光动力学及电场增强的影响，与3D情况对比。
• 量化光电离参数的不确定性及其对流光传播的影响。

提出的方法

• 采用afivo-pic代码进行2D粒子-网格（PIC-MCC）模拟，结合自适应网格加密与超粒子技术以降低计算成本。
• 将电子作为粒子追踪，离子作为固定电荷密度处理；电子-中性粒子截面数据来自LXCat数据库，弹性截面通过减去非弹性贡献获得。
• 基于Przybylski [18]和Teich [33]的实验数据引入光电离，离子化光子从流光头部发射，并根据吸收长度进行吸收。
• 采用2D笛卡尔几何，z方向采用周期性边界条件，Lz = 1 mm以控制粒子噪声并模拟3D平均效应。
• 应用基于单次光电离事件平均能产生至少一次额外光电离事件的自持生长判据。
• 改变背景电场和施加电压（28.8–31.2 kV），研究起始与传播阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管CO₂中离子化光子产量低且吸收长度短，光电离是否仍能维持正流光放电的传播？
• RQ2 由于光电离作用，CO₂中自持流光生长所需的最小电场强度是多少？
• RQ3 与3D情况相比，2D笛卡尔模拟几何对电场增强和流光动力学有何影响？
• RQ4 粒子噪声（由Lz控制）对流光形态及电子密度分布有何影响？
• RQ5 光电离参数的不确定性如何影响流光模拟结果的可靠性？

主要发现

• 尽管CO₂中的光电离远弱于空气，但当流光头部附近的电场足够高时，仍足以维持正流光放电的传播。
• 自持流光生长仅在背景电场接近击穿阈值（E_bg ≈ 1.95 kV/mm）时发生，此时流光头部最大电场E_max ≈ 22 kV/mm。
• 自持生长判据——即初始事件平均需引发至少一次额外光电离——被证明是可靠的预测工具，在实际场强条件下得出N_sp = 13.5。
• 2D笛卡尔几何导致的电场增强弱于3D情况，这可能解释为何模拟中仅在接近击穿场强时才观察到流光传播。
• 较小的Lz值（如0.1 mm）产生更不规则、更细的流光通道，且电子密度更高，表明其呈现类似低光电离气体中随机分叉的生长模式。
• 模拟结果与实验观测一致：正流光在CO₂中仅在背景电场接近击穿场强时才能跨越间隙，尽管存在2D几何的限制。