中文摘要：

纳秒脉冲气体放电是重复频率脉冲功率技术的重要基础研究领域，其放电机理和理论描述是当前亟需解决的重要科学问题。粒子模拟作为第一性原理方法，适用于纳秒脉冲气体放电瞬态过程的数值模拟，但由于传统数值模型对时间步长要求限制苛刻，难以直接应用到纳秒脉冲气体放电的研究。本项目首先通过建立气体碰撞的新型蒙特卡洛模型和宏粒子合并模型，放宽气体碰撞对时间步长的限制，提高计算效率，并研制出实用化的粒子模拟软件；然后对纳秒脉冲气体放电的形成过程和气压、气体成份、间隙结构、脉冲电压、脉冲上升沿等对放电的影响规律进行模拟研究，对放电机理进行理论分析和解释；最后对一种重复频率多通道气体开关的放电过程进行粒子模拟和实验研究，并进行优化设计。本项目的研究成果对于揭示纳秒脉冲气体放电的微观过程及放电机理、设计和优化纳秒脉冲气体开关具有重要的理论意义和实用价值。

结论摘要：

纳秒脉冲气体放电是脉冲功率技术领域的重要研究课题，由于涉及纳秒级瞬态过程、高气压、高电压等问题，其中的放电机理和理论描述目前尚不十分清楚。粒子模拟是研究气体放电瞬态过程和微观机理的一种重要方法，但由于纳秒脉冲放电的特殊性，现有的粒子模拟方法难以直接应用于纳秒脉冲气体放电的研究。本项目针对纳秒脉冲气体放电的特殊要求，对电子碰撞蒙特卡洛模型、气体光电离模型和粒子合并模型进行了深入、系统的研究，提出了新的、或者改进的数值算法，对高气压和高电压气体放电的瞬态过程及其物理机理进行了粒子模拟研究，获得了流注形成与发展、逃逸电子和流注分叉等物理现象的时空演变规律。提出了一种适用于高气压气体放电粒子模拟的补偿蒙特卡罗碰撞算法，在一个时间步长内考虑了多次碰撞，放宽了碰撞频率对时间步长的限制，可在提高计算精度的同时，显著提高计算效率。提出了一种光电离蒙特卡洛碰撞算法，对流注放电初期的粒子模拟表明，不考虑光电离时没有流注形成，证实了光电离是流注形成和发展的主要物理机制，获得了不同气压和电压下流注的时空演变微观过程。提出了一种基于相空间的四合二粒子合并算法，在粒子合并前后能够保持动量守恒、能量守恒和相空间分布守恒，节点电荷守恒误差随着合并粒子数目的增加而减小，当参与合并的粒子数目很多时，误差很小。对激光触发气体开关放电初始阶段进行了粒子模拟，获得了不同气压和电压下流注初始发展阶段的时空演变规律，给出了等离子体半径和密度随气压和电压的变化关系，纠正了已有文献中粒子模拟得到的等离子体半径和密度不随气压变化的错误结论。对高电压流注放电中的逃逸电子进行了粒子模拟，得到了逃逸电子的时空演变规律，从物理机制上解释了逃逸电子在流注前方产生预电离是高电压下流注击穿时延很小的主要原因。对氮气和氮氧混合气体的流注分叉进行了粒子模拟，获得了流注分叉的时空演变规律，在高气压时分叉的分支数增多，流注发展速度随外加电压增加而增大，模拟结果与实验结果一致。实验研究了N2气、SF6-Ar混合气体和SF6-N2混合气体同轴气体开关的多通道放电特性，获得了多通道放电积分图像和气体成分、气压、电压等参数对放电通道数的影响规律，粒子模拟得到了放电通道形成初期电子崩合并与抑制的物理图像。本项目研究结果对于揭示纳秒脉冲气体放电的微观过程及放电机理、设计和优化纳秒脉冲气体开关具有重要的理论意义和实用价值。