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。     

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。     

相对论返波管中击穿现象粒子模拟

随着相对论返波管(RBWO)输出功率的提高,RBWO内部击穿问题日益突出。击穿过程中产生的等离子体,会降低输出功率并导致脉冲缩短,大大限制了RBWO的输出单脉冲能量。采用3维粒子模拟,在反射器、慢波结构、提取腔局部区域产生等离子体,建立了RBWO单点击穿及多点击穿模型,获得了等离子体产生的区域和密度对微波输出性能的影响规律。模拟结果表明,输出微波功率随等离子体密度增加而迅速降低,多点击穿相对于单点击穿情况更容易引起输出微波脉冲提前终止,且发射器击穿产生的等离子体效应更为明显。     

X波段GW级长脉冲高功率微波源的设计与实验

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率,工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法,比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点,结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强,但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中,在单次运行条件下,输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns;在20 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz,主模为TM01,效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。     

重复频率纳秒脉冲聚四氟乙烯薄膜击穿特性

实验研究了聚四氟乙烯薄膜在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性,选用脉冲上升时间约15 ns,脉宽30~40 ns,重复频率1~1 000 Hz。测量并计算了击穿前后的电压电流波形、重复频率耐受时间和施加脉冲个数与击穿特性密切相关的参数。结果表明,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿场强为MV/cm量级,重复频率耐受时间随施加场强和重复频率的增大而减小。薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿应考虑重复频率条件下的热积累效应和材料缺陷。     

放射性物质^(137)Cs对微波大气击穿特性的影响北大核心CSCD

针对现有的放射性物质探测手段有效距离近和效率较低等局限性,考虑到高功率微波(HPM)良好的空间辐射特性,研究放射性物质对微波大气击穿特性的影响,以实现利用HPM远距离探测放射性物质的设想。阐释了微波脉冲等离子体击穿原理和自由电子对击穿特性影响,分析了放射性物质^(137)Cs射线产生自由电子的过程,在此基础上分析了HPM大气击穿时间和击穿阈值。基于HPM大气击穿等离子体实验装置,分别在6000 Pa、7000 Pa和8000 Pa的低气压环境对有、无放射源存在情形开展多次HPM辐照实验。实验结果表明:放射源的存在降低了约10%的HPM大气击穿阈值,缩短约50%的击穿时间。     

级联式高功率微波限幅防护装置

针对单级等离子体限幅器在防护高功率微波时可能出现的功率泄漏问题,提出等离子体限幅器与PIN限幅器在矩形波导中级联的新型防护装置.以功率为10 GW、频率为1 GHz高功率微波为例,通过计算单级等离子体限幅器的泄漏功率,分析比较了单级等离子体限幅器和级联式防护装置的防护性能.结果表明:对于单级等离子体限幅器不同情况的泄漏(即入射高功率微波场强小于限幅器击穿阈值场强和限幅器响应时间较长两种情况),采用级联式防护措施后,其泄漏功率被抑制在0.40 W以下.     

低噪声放大器有意电磁干扰效应

 低噪声放大器(LNA)是高功率微波“前门”效应典型薄弱器件之一。通过SPICE效应电路建模、模拟计算和注入实验,研究了LNA在不同微波脉宽、功率参数下其增益压制效应规律。模拟结果与实验数据获得良好一致,表明基于SPICE电路模型微波效应研究方法的有效性。研究表明,LNA增益压制脉宽随注入微波脉冲脉宽的增大具有饱和效应,该饱和值基本等于LNA直流偏置电路RC时间常数,并且出现饱和现象对应注入微波脉宽拐点约为150~250 ns。最后,给出了LNA微波脉冲效应定性物理解释和机理探讨。     

碳纤维阴极对输出脉宽及能量的影响

 在反射三极管实验平台上，通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比，研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响。实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns，较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%；对输出微波脉宽面积近似积分，得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273，表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右。分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低，延缓了阴阳极间隙的闭合，从而增加了输出微波脉宽，提高了微波输出能量。     

多光子非线性Compton散射对等离子体平面反射电磁波的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和电磁波与等离子体相互作用模型,研究了Compton散射对等离子体平面反射电磁波特性的影响,提出了将Compton散射作为影响等离子体平面反射电磁波的机制,给出了等离子体平面反射电磁波反射率的修正方程,并进行了仿真实验.结果表明:不同频率下,低频段等离子体密度随电场强度增大而迅速增大,到达平衡态时间明显缩短,这是因散射使场强迅速增大,等离子体中粒子发生电离几率增大的缘故.高频入射波使反射波强度减低最多,最后几乎趋于0,这是因散射使等离子体频率高于入射波频率的成分大大增加的缘故.不同频率入射波的反射波频率有微小增大,这是因散射使信号与等离子体复合扩散时间尺度差距缩小,反射波的非线性效应逐步显现的缘故.随碰撞频率增大,低密度等离子体密度增加最快,到达平衡态时间最短,这是因散射使等离子体碰撞频率增大,有更多粒子参与电离的缘故.     

微秒脉冲电场下Pb_(0.99)(Zr_(0.95)Ti_(0.05))_(0.98)Nb_(0.02)O_3陶瓷击穿过程电阻变化规律

陶瓷作为应用非常广泛的一种材料,其电击穿问题一直是研究的重点和热点.由于击穿过程涉及热、光、电多场耦合效应,目前还没有一个普适的模型能够解释陶瓷击穿问题.针对此问题进行分析,实验中采用脉冲高压发生装置击穿陶瓷,通过对陶瓷击穿过程中等效电阻的研究,揭示了PZT95/5陶瓷样品体击穿和沿面闪络形成过程的异同.结果显示,在两种击穿模式下,陶瓷样品内部均会在40 ns左右形成导电通道,陶瓷等效电阻急剧下降至10~5?量级;然后体击穿与沿面闪络的导电通道以不同的速率继续扩展;电阻减小速率与导电通道上载流子的浓度有关,二者的等效电阻以不同速率减小,直至导电通道达到稳定.     

激光诱导AlO自由基B2∑+–X2∑+跃迁光谱研究

基于激光诱导击穿光谱技术, 利用Nd:YAG脉冲激光激发Al₂O₃ (含量为99%)陶瓷片产生等离子体, 获得了AlO自由基B²∑⁺–X²∑⁺跃迁的33条发射谱线. 就AlO自由基光谱的时间演化规律和激光能量对谱线的影响规律进行了研究与分析. 结果表明, AlO自由基光谱出现在Al原子和Al离子光谱之后, 且持续时间较长. 当激光的脉冲能量由10 mJ起不断增加时, AlO自由基光谱强度逐渐减小, 且最大值出现时间随激光能量的增加而后移. 在此基础上, 进行了陶瓷等离子体在空气和氩气环境下的对比试验, 发现从Al₂O₃陶瓷片中激发所产生的AlO自由基必须有空气中O₂参与反应. 关键词： 激光诱导击穿光谱 AlO自由基 B²∑⁺–X²∑⁺跃迁光谱')" href="#">B²∑⁺–X²∑⁺跃迁光谱     

Electrical discharge in the Teflon cavity of a coaxial pulsedplasma thruster

In this work, we analyze the physical processes of a pulsed discharge in a dielectric (Teflon) cavity. This type of discharge is generated in a coaxial pulsed plasma thruster (PPT) having a central Teflon cavity to produce a high-pressure cloud of ablation products during the discharge pulse. The primary intended role of this model is to provide upstream boundary conditions for particle simulation codes used to study the exhaust plume. The main features of the electrical discharge in the dielectric cavity include Joule heating of the plasma, heat transfer to the dielectric, decomposition of the dielectric followed by partial ionization, and acceleration of the plasma up to the sound speed at the cavity exit. We consider a diffuse type of discharge assuming that all plasma parameters are uniform in the cavity. The system of equations is based on the plasma energy balance, thermal conductivity, dielectric ablation, and mass balance. It is found that most of the energy of the plasma column is carried off by particle convection to the dielectric and by radiation. It is found that during the pulse, the electron density peaks at about 10²⁴ m^-3 and decreases to 10²¹ m^-3 toward the end of the pulse, whereas the electron temperature peaks at about 2.2 eV and decays to 1.5 eV. Teflon surface temperature peaks at about 650 K. Predicted plasma temperature and ablated mass are found to be in agreement with available experimental data     

射频击穿等离子体对高功率微波传输特性的影响

利用极化正交的高功率微波合路器,开展了等离子体对于微波传输特性的实验研究.通过改变前级源的功率和脉冲宽度,使得在合路器耦合缝处发生射频击穿,产生等离子体.等离子体扩散进入微波传输主通道,对于高功率微波的传输产生明显的影响,导致微波能量吸收和极化的偏转.初步实验结果表明,等离子体扩散到主通道中心的时间约为3μs,扩散速度约为1μs/cm,等离子体的恢复时间约为5μs.实验测得等离子体导致的微波极化方向最大偏转角度约为4.1?,此时通道内电子个数约为3.7×1015,极化偏转角度与电子数密度以及微波频率相关.     

Importance of high local cathode spot pressure on the attachment ofthermal arcs on cold cathodes

The importance of having high local cathode spot pressures for the self-sustaining operation of a thermal arc plasma on a cold cathode is theoretically investigated. Applying a cathode sheath model to a Cu cathode, it is shown that cathode spot plasma pressures ranging 7.4-9.2 atm and 34.2-50 atm for electron temperatures of ~1 eV are needed to account for current densities of 10⁹ and 10¹⁰ A·m^-2, respectively. The study of the different contributions from the ions, the emission electrons, and the back-diffusing plasma electrons to the total current and heat transfer to the cathode spot has allowed us to show the following. 1) Due to the high metallic plasma densities, a strong heating of the cathode occurs and an important surface electric field is established at the cathode surface causing strong thermo-field emission of electrons. 2) Due to the presence of a high density of ions in the cathode vicinity, an important fraction of the total current is carried by the ions and the electron emission is enhanced. 3) The total current is only slightly reduced by the presence of back-diffusing plasma electrons in the cathode sheath. For a current density j_tot=10⁹ A·m^-2 , the current to the cathode surface is mainly transported by the ions (76-91% of j_tot while for a current density j_tot = 10¹⁰ A·m^-2, the thermo-field electrons become the main current carriers (61-72% of j_tot). It is shown that the cathode spot plasma parameters are those of a high pressure metallic gas where deviations from the ideal gas law and important lowering of the ionization potentials are observed     

双沟4H-SiC MESFET优化结构的解析模型及性能

优化双沟4H-SiC MESFET结构,通过求解一维和二维泊松方程,建立优化结构的解析模型,分析这种结构的直流和交流特性.结果表明,饱和电流密度的计算结果与实验一致,结构优化后4H-SiC MESFET的饱和电流密度和击穿电压分别为420μA·μm^-1和155 V,明显高于优化前的275μA·μm^-1和141 V;最高输出功率密度为7.4 W·mm^-1,比优化前提高约64%;截止频率和最高振荡频率比优化前略微提高.双沟结构经优化后其交流小信号特性未退化而功率特性获得明显改善.     

高能电子辐射下聚四氟乙烯深层充电特性

介质深层充放电现象是诱发航天器异常故障的重要因素之一.分析了高能电子辐射下介质内部电荷沉积、能量沉积特性和电导特性,考虑了真空与介质界面电荷对电场分布的影响,建立了介质二维深层充电的物理模型,并基于有限元方法实现了数值计算.计算了高能电子辐射下聚四氟乙烯的深层充电特性.结果表明:真空环境下,介质的表面存在较弱的反向电场,随着介质深度增大,电场减小至零,随后逐渐增大,最大值出现在靠近接地附近,但在接地点,电场存在小幅降低.分析了不同辐射时间下(1 h,1 d,10 d和30 d),介质内部最大电位和最大电场的时空演变特性.随着辐射时间的增加,最大电位由-128V增加至-7.9×104V,最大电场由2.83×105V·m-1增加至1.76×108V·m-1.讨论了入射电子束流密度对最大电场的影响,典型空间电子环境(1×10-10A·m-2)下,电子辐照10 d时,介质内部最大电场为2.95×106V·m-1.而恶劣空间电子环境(2×10-8A·m-2)下,电子辐射42 h,介质内部最大电场即达到108V·m-1,超过材料击穿阈值(约为108V·m-1),极易发生放电现象.该物理模型和数值方法可以作为航天器复杂部件多维电场仿真的研究基础.     

等离子体密度对激光拉曼放大机理的影响

等离子体中的背向拉曼散射机理可以用来产生超短超强的激光脉冲. 本文采用粒子模拟方法模拟研究了等离子体密度对激光拉曼放大过程的影响. 研究发现, 过低的等离子体密度会导致等离子体波提前波破而降低能量转换效率; 而过高的等离子体密度又会导致其他不稳定性的快速增长, 限制作用距离和输出能量. 因此, 拉曼放大机理的最佳等离子体密度应处于等离子体波破的密度阈值附近, 可以获得最高的能量转换效率和能量输出. 另外, 空间频谱分析显示放大激光的强度饱和主要来自于自相位调制不稳定性的发展. 利用10¹³ W·cm^-2的抽运激光脉冲, 模拟证实拉曼放大机理可有效地将种子激光的强度从10¹³ W·cm^-2 放大到10¹⁷ W·cm^-2, 脉宽压缩到40 fs, 且能量转换效率达到58%.