高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明:真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子（eV量级）数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为s量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子（keV量级）碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。     

高功率微波及材料特性参数对沿面击穿的影响

为研究高功率微波及材料特性参数对介质沿面闪络击穿过程的影响,采用自编的1D3V PIC-MCC程序,通过粒子模拟手段,得到了电子与离子数目、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、放电功率、表面沉积功率、激发电离损耗功率、电离频率等重要物理量。结果表明:电离频率随场强增加而增加,达到饱和后缓慢下降,强场诱发的二次电子数目更多导致本底沉积功率增高;电离频率随频率减小而增加,达到饱和后缓慢下降,频率太高会抑制次级电子倍增;因此,低频强场下击穿压力较大;反射引发表面电场下降及磁场增加效应,降低表面场强虽使表面击穿压力下降,但磁场的增加会导致二次电子倍增起振时间缩短,且会增加器件内部击穿风险;圆极化相对线极化诱导二次电子数目更多、本底沉积功率更高,击穿风险增加;短脉冲产生电子、离子总数少,平均能量低,沉积功率低,击穿风险低于长脉冲;脉冲上升时间的缩短和延长,只会提前或推后击穿时间,并不会改善击穿压力;材料二次电子发射率的增加会给击穿造成巨大压力,表面光滑度对击穿过程影响不大;电离频率和电子平均能量随释气压强增加均先增加后减小,低气压二次电子倍增占优,高气压碰撞电离占优。     

不同气压下介质表面高功率微波击穿的数值模拟

介绍了用于模拟介质表面高功率微波击穿的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法,并采用该方法模拟研究了氩气环境不同气压下的介质表面高功率微波击穿过程,获得了该击穿过程中粒子数量和电子平均能量的时间变化图像,并得到了击穿延迟时间。数值模拟结果发现:在低气压下,次级电子倍增的作用比较明显,但电子数量在次级电子倍增饱和后的增速较低,击穿延迟时间较长;随着气压的升高,次级电子倍增的影响逐渐变小,气体电离逐渐占主导地位,击穿延迟时间逐渐变短;在高气压下,由于介质表面吸收沉积电子而呈负电性,次级电子倍增消失,击穿延迟时间由气体碰撞电离来决定。     

介质表面高功率微波击穿的数值模拟

研究了用于模拟高功率微波条件下介质表面击穿的静电PIC-MCC模型,并通过自行编写的数值模拟程序模拟了真空及不同气压条件下介质表面击穿过程中的次级电子倍增和气体电离等过程.模拟结果发现,在真空及低气压条件下,电子的主要来源是次级电子倍增,电子数量以两倍于入射场的频率振荡;在高气压情况下,电子的主要来源是气体电离. 关键词： 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟 次级电子倍增     

电磁辐照金属铝膜材料释气效应研究

为研究空间环境中通用航天器表面覆盖的热控层电磁辐照效应,采用粒子模拟(PIC)和蒙特卡罗(MC)模拟相结合方法,建立了真空环境下电磁辐照航天器热控材料模型,模拟了场致电子发射、次级电子倍增、释气雪崩电离的全过程,并讨论了释气密度对热防护材料表面产生释气电离现象的影响。通过对比不同释气密度下该过程产生的电子和离子情况,获得热防护材料表面释气产生雪崩电离的阈值。模拟结果表明,当铝膜表面气体密度较小时,由于材料表面释气碰撞电离概率偏低而不会发生雪崩电离;只有当释气密度超过阈值时,材料表面释气碰撞电离过程加强,材料表面发生雪崩电离生成等离子体,等离子体吸收电磁波能量,其离子和电子总能量提升,可能对金属铝膜材料造成损伤。     

刻槽结构高功率微波输出窗次级电子倍增效应

从理论上分析了周期性矩形刻槽对喇叭天线输出窗真空侧次级电子倍增的影响。采用动力学方法分析得到电子沿介质窗表面运动的渡越时间和碰撞能量,验证得到一定尺寸的矩形刻槽介质窗可以有效抑制次级电子倍增效应。在此情况下,对比了刻槽和不刻槽两种输出窗的辐射特性,发现周期2 mm、宽度1 mm、深度1 mm的矩形刻槽对介质窗辐射特性的影响可以忽略。     

圆窗片表面次级电子倍增效应的数值模拟

基于Monte Carlo模拟算法, 建立了粒子输运模型, 通过对盒形窗内圆窗片表面次级电子倍增现象进行数值仿真, 获得了TE₁₁模非均匀分布电场作用下次级电子倍增的规律. 结果表明: 在微波输入端, 指向窗片表面的磁场力起到了维持次级电子与窗片碰撞的作用, 在电场强度较高的区域倍增剧烈, 有质动力对倍增无贡献; 在微波输出端, 受背离窗片表面磁场力的影响, 在表面静电场较弱的情况下, 次级电子倍增不能发生; 当表面静电场足以维持单面倍增的发生, 随着传输功率的增大, 电子渡越时间增长, 有质动力使得倍增强烈的区域由强电场区逐渐转移到弱电场区域. 对利用外静电场抑制微波输入端次级电子倍增效应的方法进行了数值模拟验证. 关键词： 圆窗片 11模')" href="#">TE₁₁模 次级电子倍增 MonteCarlo模拟     

高功率微波介质窗表面矩形槽抑制二次电子倍增

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹,考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响,理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz,脉宽1μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验,试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率,在槽深(1.0mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化,仿真结果很好地验证了试验现象。     

强直流场介质表面次级电子倍增效应的数值模拟研究

通过粒子模拟方法,实现了强直流场下介质表面击穿过程中次级电子倍增效应的数值模拟.具体研究了强直流场场强、介质表面光滑度和次级电子产生率等对次级电子倍增的影响,以及倾斜直流场和外加磁场对次级电子倍增的抑制.结果表明,选择次级电子产生率较低的介质材料和倾斜强直流场可以有效降低次级电子倍增效应的强度,而外加磁场必须超过一定值时才可以有效降低次级电子倍增强度. 关键词： 次级电子倍增 强直流场 介质表面击穿 数值模拟     

真空高功率微波介质窗表面击穿破坏现象的研究进展

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面,介绍了国外最具代表性的研究成果,给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律,并提出相应的理论模型。在理论仿真方面,重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献,给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态,并提出了一个理论模型,从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。     

沿面闪络流体模型电离参数粒子模拟确定方法

介绍了粒子模拟确定高功率微波介质沿面闪络击穿流体模型相关电离参数的方法.对粒子模拟方法 (包括带电粒子动力学方程、次级电子发射以及蒙特卡罗碰撞模型)和流体整体模型方法 (包括连续性方程和能量守恒方程)做了简介.基于自编的1D3V粒子模拟-蒙特卡罗碰撞程序给出了在高(低)气压、不同气体种类以及不同微波场强和微波频率下流体模型电离参数的粒子模拟结果,包括电离频率、击穿时间、平均电子能量、电子能量分布函数类型.研究结果表明:平均电子能量与电子能量分布函数类型关系不大;中低气压下,电子能量接近Maxwell分布,电子能量分布函数类型对电离参数几乎没有影响;中高气压下,电子能量分布函数类型对电离参数有重要影响,其依赖系数X趋于高阶形式.不同气体的电子能量分布函数类型不同,需要利用粒子模拟对电子能量分布函数类型进行标定.同时,电子能量分布函数依赖系数与微波场强和频率也有关系,其随微波场强增加而增大,随微波频率增加而减小.在给定考察范围(微波场强在7 MV/m以下,微波频率在40 GHz以内),中低气压下,平均电子能量随微波场强增加而迅速增大,电离频率随微波场强增加先增大后降低,平均电子能量随微波频率增加而降低,电离频率随微波频率增加先增加后降低;高气压下,平均电子能量随微波场强增加而缓慢增大,电离频率随微波场强增加而增大,微波频率对平均电子能量和电离频率影响不大.     

微波输出窗内表面闪络击穿3维全电磁等离子体流体模拟北大核心CSCD

通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型,基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D,编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块,对1.3GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明:微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下,等离子体发展为"蘑菇"形状,输出微波脉冲缩短并不严重,等离子体吸收微波功率大于反射微波功率;面源分布下,等离子体发展为"帽子"形状,输出微波脉冲缩短严重,输出微波完全截断,开始阶段等离子体吸收微波功率占优,待等离子体密度增加到一定程度后,反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法,可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。     

磁绝缘线振荡器内气体碰撞电离数值模拟

针对气体碰撞电离过程,介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法,利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块,将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中,模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明:当He气密度较低时,电离的正离子由于较重无法自由移动,形成了正离子通道,可以有效中和电子束空间电荷场,有利于电子束传输和群聚,提高了束波互作用效率,微波输出功率得到了明显提高,起振时间也有所缩短;当进一步增加He气密度时,电离碰撞增强,电子和离子数目会雪崩式增长,电子束由于碰撞增强而导致能散度增大,其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应,反而不利于电子束的群聚和共振,从而导致输出微波功率降低乃至截断,起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致,但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持,二极管最终将闭合。另外,还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示,同压强情况下,填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。     

相对论全腔轴向提取磁控管阳极释气数值模拟研究

相对论电子轰击阳极产生二次电子和释气以及释气电离产生的击穿现象是限制全腔轴向提取透明阴极磁控管（TCMAC）工作性能的一个重要因素。本研究对TCMAC中轰击产生的阳极二次电子以及释气电离现象进行了物理建模以及三维数值模拟研究,考察了其对TCMAC运行性能的影响。初步计算结果表明,二次电子发射与阳极释气对TCMAC工作都有一定影响,释气后电离产生的正离子数大于系统中电子数时,会导致TCMAC击穿。     

介质表面高功率微波击穿中释气现象的数值模拟研究

建立了一个简单的高功率微波(HPM)介质表面击穿释气模型,并采用PIC(partiele-in-cell)-MCC(Monte Carlo collisions)方法,通过自行编写的介质表面击穿数值模拟程序对不同释气条件下的介质表面HPM击穿过程进行了数值模拟研究,得到了击穿过程中电子数量等的时间图像和不同释气速度下的击穿延迟时间.模拟结果表明,对于具有一定时间宽度的HPM脉冲,当介质表面气体脱附速度较小时,由于介质表面气体层形成太慢而不会发生击穿;只有当脱附速度大于一定值时,击穿才会发生且击穿延迟时间在一定范围内随着脱附速度的增加而缩短.最后,将数值模拟得到的介质表面HPM击穿数据,与单极性表面击穿的实验诊断图像进行了对比,两者的发展趋势符合很好. 关键词： 释气现象 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟     

多脉冲磁绝缘线振荡器阴极释气电离仿真研究

在磁绝缘线振荡器（MILO）阴极释气电离物理建模技术以及三维自洽运算基础上,研究了残存气体脉冲缩短,并分析了释气电离对多脉冲MILO运行的影响。把多脉冲释气分为脉冲内阴极释气脉间残余气体累积两个部分,研究了不同释气率以及残余气体对整个器件的运行产生影响。计算结果表明,多脉冲运行MILO最主要影响因素是释气后电离产生的正离子,当正离子密度超过发射电子密度时,束波互作用被破坏。