打开文本图片集

摘要：电致伸缩效应之下水中电子输送特性主要在快脉冲放电的过程中集中出现，在电极附近中产生的电致伸缩效应导致出现空化区，会影响电子在水中产生的输送行为。分析弹性与非弹性碰撞截面中的水中电子输运物理模型，基于蒙特卡洛的方式的对不同能量中电子透射以及非弹性碰撞截面过程中水中电子输送物理模型进行分析，则可以了解其结构特征，基于定量的方式表征水中电子输送特性产生的参数信息，可有效了解电致伸缩效应之下水中电子动力学的基础行为。

关键词：电致伸缩效应；水中电子输运特性；蒙特卡洛方法

水中快脉冲放电就是沉浸在水中两个金属电极之间施加一定的脉宽数的高电压，在瞬间产生的一种水中放电以及击穿的过程。放电作业中会出现各种物理化学反应，因此称之为“液电效应”。

1.电致伸缩效应下水中电子输送特性基础原理

电致伸缩效应是在外电场对电介质产生作用的同时，产生的应变正比和电场强度之间平方的一种现象。此种效应并不受到电场方向的影响，因此可以说一般的固体电介质都会产生电致伸缩效应。

电子输送现象就是受到外场作用的影响，电子可以在一定程度传递电荷能量以及自旋，此种现象主要就是基于实验的方式进行分析，是一种可以通过理论分析电子输送现象的一种微观的理论分析，也就是输运理论。电子伸缩效应属于一种机电耦合效应，受到外电场因素的影响，当其在电介质上产生作用力的时候，则会导致分子极化并且会产生一定的应变，这种应变主要就是与电场强度之间形成了正比例的关系，并不会受到电场方向因素的影响[1]。

2.电致伸缩效应下水中电子输送特性影响因素

2.1空化区形成

在水中出现快脉冲放电的作业中，会导致电极周边形成一个空化区，主要就是受到电致伸缩效应影响。电子在空化区中会积累一定的能量，通过高速的速度进入到水体结构中，在整个过程中则会影响电子输送特性。

2.2弹性与非弹性碰撞截面

通过研究可以发现，综合弹性以及非弹性碰撞截面中的水中电子输送物理模型的构建，可以精准的对电子在水中产生的传输行为进行描述以及分析。

2.3电子初始能量

不同能量电子受到水的因素影响，导致其在水中产生的透射以及散射路径的结构特征具有一定差异性。而基于蒙特卡洛模拟法对其进行研究，分析多种特征因素，则可以充分理解电子输送的机制以及基础原理。

2.4电荷输运

在水中放电涉及到诸多的电荷输运、气液相变以及界面效应等诸多因素，这些因素都是严重影响电子输送特性的关键因素。

2.5静水应变与受限水输送性质

静水应变是一种影响电子输送特性的影响因素之一。通过分析可以得知在CsPbI3系统中产生的拉伸应变会导致电流在偏压值增加的过程中呈现线性下降的变化趋势。而受限水输送性质也是影响电子输送的关键因素之一，其中受限水直流电导率要高于体态水。

2.6分子动力模拟分析

基于分子动力学模拟的方式进行分析可以发现水分子受到输送管道的直径、缺陷以及不同层间距等因素的影响，这些因素也同样会对电子在水中输运产生不同程度的影响。

2.7电极影响

电致伸缩效应在电极附近最为显著，主要就是因为电极材料以及相关溶液之间的界面对于电场会产生较为显著的影响，这样则会影响水中电子输送以及其能量积累[2]。

2.7.1改变固液界面结构

电致伸缩效应会在一定程度上改变在电极附近中的固液界面的结构。固液界面的作用会在一定程度上增加水传输的内在驱动力，进而提高水中输送速率。在整个过程中电致伸缩效应则可以对界面的结构进行改变的方式，促进水分的迁移。

2.7.2影响电化学反应

在光电化学中，光受到电极材料吸收作用，或者被溶液中的反应剂所吸收，则会导致出现能量积累或者发生电极反应等问题，电致伸缩效应对通过对电极周边电场分布状态改变的方式进行处理，在一定程度上影响能量积累以及其转换。

2.7.3空间电荷效应

电致伸缩效应受到空间电荷效应的影响。空间电荷效应主要就是包括了陷阱能量以及空间分布状态、材料均匀程度、电极附近的Schottky势垒等多种因素的影响，在一定程度上影响电子输送以及能量积累。

3.蒙特卡洛方法定量表征水中电子输运物理模型

基于蒙特卡洛模拟法通过定量表征的方式分析水中电子输送物理模型，了解基础参数，可以有效了解其基础特性，其主要流程以及方式如下：

3.1建立模型

综合模型特征构建一个可以在水介质中应用电子输送的模型。基于现有研究可以发现，通过蒙特卡洛方式可以对水中电子径迹结构的状态进行模拟，这样则可以充分的了解在低能状态之下的空间分布特征，通过分析云团以及团点以及短径迹的方式进行综合分析。在模型中合理设置基础参数信息，对电子初始能量参数、碰撞的频率以及散射、能量分配的主要方式等因素进行合理的参数配置，则可以提高电子输送系数计算的精准性。例如，在处理中可以基于简化的方式对电子随机游动过程中的步长，根据能量步对其进行划分处理，在划分中要重点分析非辐射碰撞能量损失以及辐射能量损失的总和。

3.2电子-水分子弹性碰撞

水分子的质量高于电子质量，因此通过电子-水分子的弹性碰撞则可以有效简化电子弹性散射，其中在电子散射中的轨迹偏折主要就是受到散射角度因素的影响，因此在模拟中要对其进行屏蔽处理，通过校正之后则可以确定分散射截面；电子弹性碰撞之后产生的轨迹主要就是通过散射电子在水中的具体运动位置、分布状态的三维坐标进行计算。

3.3电子-水分子非弹性碰撞

入射电子与水分子呈现非弹性的碰撞过程中，水分子的电离轨道与激发轨道中的电子会受到入射电子势场扰动因素的影响，则会影响参数的各个位置，在碰撞的过程中会导致能量、动量转移受到电子-水分子碰撞模式的影响，这样则会产生不同的电离模式以及激发方式[3]。根据介电响应函数，基于Ochkur交换效应校正与低能微扰Coulomb-field校正非弹性碰撞微分截面则可以确定在不同碰撞模式之下电子-水分子传递的能量，公式为：

其中 表示非弹性碰撞截面；j表示电子-水分子不同碰撞模式，其对应不同的电离模式以及激发模式，各五种，其中电离模式表示为（j=1，2…，5），激发模式表示为（j=6，7…，10）；在公式中， 表示碰撞模式中j下的碰撞截面。由此可以获得电离能级与激发能级参数，如表1所示。

3.4水中电子输送仿真流程

基于Geant4–DNA开源平台上建模，通过蒙特卡洛分析电致伸缩空腔中的电子在水中输送的基础特性，对其进行仿真处理：

在仿真区域中设定一个区域为100nm×100nm×100nm的水体结构，水体左侧中位置设置电子发射源，在操作中可以同时释放入射方向相同但是能量具有差异的电子；根据电子-水分弹性以及非弹性碰撞的截面模型对其进行处理，编程仿真模型。通过仿真处理计算坐标、碰撞的次数以及产生的能量变化，对基础数据进行分析，则可以了解在水中的运动轨迹以及产生的碰撞的特性、能量损失等多种问题。在电子能量不足水分子最低激发能级的时候，则电子在运行中会产生一定的弹性散射，其主要运动方向会呈现随机变化的趋势，整体的运动距离极短，如果对其进行追踪则会耗费大量能源，因此在计算中要做好设定分析。

4.结果与分析

基于蒙特卡洛模拟法分析水中电子输送物理模型，在模拟中电子在水中发射的状态以及影响因素，则可以充分理解电子在水中产生的行为，分析不同物理模型对于模拟结构产生的影响。

4.1电子径迹结构

受到电致伸缩效应影响，水体空化区域中产生的电子能量相对较高，因此电子射入水中产生透射以及散射的径迹结构表述如下：

基于垂直电子入射的角度进行分析，每个电子初始能量以及其入射的方向是相同的，但是受到水分子散射因素的影响，则会导致其出现显著的电子偏折问题，其入射方向的最大偏移角度θshift约60°，其中电子偏折距离与水平透射深度相同，距离为6-8nm；而电子在入射中其方向两侧呈现对称分布的态势，整体的轨迹区域呈现一个束状锥形结构[4]。电子射入的方向受到电子-水分子碰撞因素的影响，其具有一定随机性特征，这样则会造成水中电子数密度分散性相对较大，而电子发射源头周边的电子数密度相对较高，在垂直入射方向中则会增加散射的距离，这样电子的密度则会逐渐的减少，呈现稀疏的态势，整体上呈现星结构进行分布。

4.2水中电子能量损耗

电子与水分子在运行中会不断的出现电离碰撞以及激发碰撞，这样则会导致能量呈现消耗的态势，会逐渐转移到水体结构中，而不同的入射能量电子在进入到水体结构之后产生的能损，与剩余能量之间的空间分布也会出现一定的变化。

随着电子入射能量越大，则其产生的能损则越高。因此其运动相同距离为5nm之后，则入射能量参数为50eV的电子能损为2eV/nm；而150eV的电子能损高达30eV/nm[5]。出现此种问题主要就是因为入射能量较高的电子以及水分子电力与激发碰撞次数会呈现增加的态势，在多种因素的影响之下会增加电子能量的损耗，这样则随着距离增加，会导致电子能量损耗率呈现快速的下降趋势。

基于电子能损分析，探究电子-水分子电力碰撞以及激发碰撞过程中的消耗在电子总能量中的比例可以发现，整体占比以及变化趋势大致相同。但是在不同电子能量之下则具有显著的差异性。

4.3水中电离与激发碰撞能损空间分布影响电子输送特性

水中电离与激发碰撞能损的空间分布状态对于电子输送特性具有显著的影响。在水分子激发过程中，原始的电子能量损失可以确定，但是因为其运动的方向没有出现改变，则表明在激发中能量损失主要就是在局部的区域中，这样不会对电子运动方向产生影响，会对电子的整体输送路径产生一定的影响。

在另一个角度进行分析，在水分子出现电离的时候，要综合电离模式的电离截面分析初始电子能量损失。在整个电离过程中，受到多种因素的影响会增加能量的损失，其涉各个因素相互影响，这些因素则会导致电子的运动方向以及其主要的运行速度出现不同程度的变化，影响了整体输送特性。

同时，相临近原子参与在能量差截面中具有显著的共振峰，这些因素都会增加电子碰撞电离的截面。此种相互作用在影响电离过程的同时也会影响电子角分布、输送特性等因素。在高温等离子体结构中，电子以及高电荷态离子之间产生的碰撞与激发、电离过程也会出现类似于此种问题的变化，其中电子自旋对于激发能级的具体分布产生严重的影响。也就是说，受到物理环境差异性的影响，电子输送特性在多种因素的作用之下会出现不同的变化，其中最为显著的影响因素就是电离、激发中产生的能量损失、临近原子参与程度以及电子自旋等诸多因素。

结束语：

基于蒙特卡洛仿真方式分析电子输送系数，精度高，可以有效提高仿真的精准性。为了提高仿真效率，则可以基于GPU友好以及并行化的方式进行处理，这样则可以有效解决高度多体模拟的问题，通过此种方式则可以有效提高计算的精准性，在大规模数据信息处理中效率更高。通过模拟分析电子输送的过程，获得系数数值，根据结果则可以充分了解到在不同的条件之下，电子的输送路径、能量损失的具体分布状态、散射能量分配方式等多种因素产生的影响。

参考文献：

[1]曹流，郑明德.基于Fe-Co-V合金的逆磁致伸缩效应高性能振动发电[J].工业控制计算机，2024，37（04）：143-145.

[2]李元，李春鹏，李林波，等.电致伸缩效应下水中电子输运特性研究[J].物理学报，1-20.

[3]罗进，于慎波，窦汝桐，等.磁致伸缩效应对永磁同步电机振动噪声影响分析[J].机械工程与自动化，2022，（05）：4-6.

[4]贾海涛.温度效应下一维磁致伸缩材料结构中的非线性波[D].中北大学，2022.

[5]李元，李林波，温嘉烨，等.基于电致伸缩效应的水中纳秒脉冲放电起始机制[J].物理学报，2021，70（02）：360-368.

作者简介：种榉（1994.08-），女，汉，河南周口人，硕士研究生，郑州铁路职业技术学院，助教，研究方向：界面态对电子输运的影响机制，大学生思想政治教育，学生职业发展