一种多原子分子电子碰撞电离截面的计算方法与流程

本发明属于电压工程技术领域，尤其涉及一种多原子分子电子碰撞电离截面的计算方法。

背景技术：

sf6气体具有优良的绝缘与灭弧性能，以其作为绝缘和灭弧介质的电力设备在高压系统中占有绝对主导地位。但是，sf6气体是一种严重的温室效应气体，其全球变暖潜能(globalwarmingpotential，gwp)是co2的23900倍，在1997年被列入全球排放受限制的6种温室效应气体之一。因此，探索环境友好的sf6替代气体是高压领域的一个重要研究方向和迫切需要解决的热点问题。近两年，全氟酮和全氟烃类气体及其混合气体作为潜在的sf6替代气体受到广泛关注。这类气体具有较高的电气强度和较低的gwp值，其中c4f7n，c5f10o和c6f12o的绝缘强度分别是sf6的2.2倍，2倍，2.5倍，全氟酮c5f10o和c6f12o的gwp值仅仅是sf6的1/23900倍。

电子碰撞电离截面是研究气体电子崩放电过程的关键参数，玻尔兹曼方程和蒙特卡罗模拟法均需要电子碰撞电离截面作为输入变量，才能获得电子能量，电离系数，漂移速度等参数。因此，如何获得准确的电子碰撞电离截面在研究气体绝缘性能上至关重要。电离截面主要通过实验和理论计算获得，两者均有各自的优缺点。虽然实验方法测得的电离截面相对而言更为准确，但是因其实验设备和操作方法的各不相同，测量结果也会有一定的误差。并且从成本和时效上，实验法远远不如理论计算。更为重要的是，在实验之前，理论计算结果可以为实验数据提供参考，方便及时地修正以及改进。

为了获得准确的电子碰撞电离截面，国内外研究人员根据不同的计算方法进行了广泛的研究。在现有的技术中，通常采用beb公式计算分子的电子碰撞电离截面，由于电子结合能受分子结构计算方法的影响，且没有统一的标准选择分子结构计算方法，电子碰撞电离截面的计算值往往因其计算方法的不同而不同，更为重要的是，对于原子数量较多的分子，在低电子入射能量阶段，计算出的电子碰撞电离截面往往大于实验值。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种多原子分子电子碰撞电离截面的计算方法，解决了现有技术中计算出的电子碰撞电离截面往往大于实验值的技术问题。

本发明提供了一种多原子分子电子碰撞电离截面的计算方法，括以下步骤：

步骤1：选择cf3cn分子作为测试分子，计算其电子碰撞电离截面，筛选出分子结构计算方法；

步骤2：在量子化学软件中搭建c4f7n分子模型；

步骤3：优化分子结构；

步骤4：计算分子轨道参数；

步骤5：确定参与碰撞过程的分子轨道数量；

步骤6：基于修正后的beb公式计算分子的总电子碰撞电离截面。

优选的，所述计算分子轨道参数包括计算优化后的c4f7n分子的单电能。

优选的，所述计算分子轨道参数还包括分析c4f7n分子的自然键轨道nbo。

优选的，所述计算分子轨道参数还包括计算c4f7n分子的垂直电离能。

本发明提供的多原子分子电子碰撞电离截面的计算方法，对于c6f12o等大分子而言，节省了反复计算的时间，能够在短时间内准确计算其电离截面。

本发明通过beb修正公式解决了c6f12o等具有大量分子轨道时，参与碰撞电离的价层电子所占据的分子轨道的取舍问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的优化后的c4f7n分子构型图；

图2为本发明实施例提供的修正前后的c4f7n分子的总电子碰撞电离截面；

图3为本发明实施例提供的c4f7n分子的总电子碰撞电离截面图；

图4为本发明实施例提供的多原子分子的总电子碰撞电离截面计算方法流程图；

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

计算c4f7n分子总电子碰撞电离截面步骤如下：

1.筛选分子结构计算方法

选择cf3cn分子作为测试分子，计算其电子碰撞电离截面，筛选出分子结构计算方法。

2.在量子化学软件中搭建c4f7n分子模型

3.优化分子结构

4.计算分子轨道参数

(1)计算优化后的c4f7n分子的单电能

(2)分析c4f7n分子的自然键轨道nbo

(3)计算c4f7n分子的垂直电离能

homo轨道(最高能量轨道)的轨道能量影响分子的阈值处的电离截面。目前，实验测出c4f7n分子的最低电子结合能bmin还未见报道，因此只能使用垂直电离能代替homo轨道能量。早期研究中发现，可以用绝热电离势代替最低电子结合能，但是绝热电离势的计算与分子的轨道没有关联，导致出现一定的误差。随着研究的不断深入，研究者发现垂直电离能代替最低电子结合能能有效提高初始阈值处的电离截面，且计算出的电离截面与实验值更加吻合。垂直电离能等于阳离子体系能量减去中性分子体系能量。

在中性分子的基础上加上一个正电荷，对阳离子进行优化，计算结果为13.57ev。

将最低电子结合能设为13.57ev

保持其余34个分子轨道参数不变，改变homo轨道的最低电子结合能。

5.确定参与碰撞过程的分子轨道数量

1)基于分子轨道理论确定c4f7n分子每个分子轨道的类别，首先去掉c4f7n分子中原子的s层电子所占据的分子轨道。分子轨道计算结果表明c4f7n分子的价层分子轨道有35个，表1为c4f7n分子的分子轨道以及轨道参数表。

表1c4f7n分子的分子轨道以及轨道参数表

2)基于beb修正公式，当入射电子能量t低于20ev,参与计算的分子轨道只考虑23个，当入射电子能量t高于20ev,参与计算的分子轨道考虑35个。确定分子轨道之后，记录c4f7n每个分子轨道的电子结合能b和轨道动能u以及每个轨道的电子占据数n。

6、基于修正后的beb公式计算分子的总电子碰撞电离截面

将参与计算的每个分子轨道对应的电子结合能和轨道动能代入修正后的beb公式中，再利用origin软件计算每一个分子轨道对应的电子碰撞电离截面，将每个分子轨道求和可得到分子的总电子碰撞电离截面qion。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。