介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

电介质表面纵向射频电场对次级电子倍增效应的影响

基于次级电子倍增动力学模型和次级电子发射曲线,运用蒙特卡罗方法模拟电介质表面具有纵向射频电场作用下的单边次级电子倍增现象,研究次级电子倍增的表面电场敏感曲线和时间演化图像. 以一个S波段射频介质窗为例,计算次级电子在其介质表面的沉积功率. 结果表明,纵向射频电场可能加剧电介质表面的次级电子倍增效应,易于导致介质片破裂,不利于高频能量传输. 关键词： 纵向射频场 次级电子倍增效应 蒙特卡罗方法 功率沉积     

微波磁场和斜入射对介质表面次级电子倍增的影响

分别研究了微波磁场和斜入射微波电场对介质表面次级电子倍增的影响.利用particle-in-cell/Monte Carlo方法,获得了微波磁场和斜入射微波电场条件下电子数量、介质表面直流场、电子平均能量和介质表面吸收功率的时间变化图像.模拟结果表明,斜入射和微波磁场虽然会显著影响电子的平均能量,但对电子数量和介质表面吸收功率的影响并不大,因此不会对微波介质表面击穿产生太大作用.     

两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制

利用自编1D3V PIC程序,数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程,给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明:不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程,使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果;横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中,电子半个周期被推离介质表面（不发生次级电子倍增）,半个周期被推回介质表面（降低电子碰撞能量）的作用机理,达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下,电子回旋同步加速导致回旋半径增大,电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易,但对磁场要求较高;横向外加磁场需要磁场较低,但加载较为困难。     

释气对介质沿面闪络击穿影响的粒子模拟

为研究释气下的高功率微波介质沿面闪络击穿物理机制,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、次级电子发射、蒙特卡罗碰撞模型以及碰撞退吸附气体分子模型;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别研究了弱退吸附、强退吸附以及释气分子运动速率对沿面闪络击穿的影响.研究结果表明:介质沿面闪络击穿本质是沉积功率的持续增加.弱退吸附下,次级电子倍增占优,随着退吸附系数的增加,碰撞电离效应对次级电子倍增有促进作用,主要表现为介质窗表面静电场、表面碰撞电子平均能量以及表面碰撞电子数目的增加,此处的表面碰撞电子主要是次级电子倍增形成的;释气分子运动速率高导致介质面附近气压下降,不利于次级电子与气体分子间碰撞电离过程形成.强退吸附下,气体碰撞电离效应占优,随着退吸附系数的增加,离子数增加速度表现为电离频率增加的指数增长形式,碰撞电离效应对次级电子倍增有抑制作用,主要表现为介质窗表面静电场为负、表面碰撞电子平均能量的降低,但是表面碰撞电子数目却得以增加,此处的表面碰撞电子主要是贴近介质面的气体碰撞电离形成的;释气分子运动速率高导致气体厚度增加,扩大了气体碰撞电离作用区域,有利于气体碰撞电离.     

介质表面附近微波大气击穿的理论研究

将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解, 对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究. 分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究. 一维计算结果发现在n_e = 0, j = 0两种边界条件下, 虽然形成的等离子体密度分布相差较大, 但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大. 初始电子数密度厚度为20 mm的条件下, 得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况. 二维计算结果发现, 由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强, 电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体, 当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时, 波导中心介质表面处微波场强减小, 等离子体区域沿着介质表面向两侧移动. TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值, 因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.     

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     

双面次级电子倍增效应向单面次级电子倍增效应发展规律的研究

次级电子倍增效应引起的输出窗失效问题往往给微波器件造成灾难性的影响, 是限制微波器件功率进一步提升的瓶颈. 以S波段高功率盒形窗为研究对象, 针对盒形窗内无氧铜金属边界与陶瓷介质窗片相对的区域, 建立了研究法向电场作用下次级电子倍增效应的Monte-Carlo模型. 通过拟合这两种材料间双面次级电子倍增以及单面次级电子倍增效应的敏感曲线, 对次级电子倍增发展特点进行详细分析, 获得了金属与介质之间的次级电子由双面倍增向单面倍增演变的规律.     

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     

外磁场对介质表面次级电子倍增效应的影响

本文采用Particle-in-cell数值方法模拟研究了不同强度外磁场条件下的次级电子倍增效应过程,分析了外磁场对次级电子倍增效应的影响.结果表明,当外磁场达到一定强度时,次级电子倍增效应在微波传输的一半时间内被抑制.通过外磁场抑制,在理想条件下可以使介质窗的微波传输功率容量提高4倍以上.     

C波段小型化高功率微波输出窗的设计

为了满足高功率微波系统对微波输出窗高功率容量和紧凑化的应用需求,以传统盒型窗的设计理论为基础,通过优化窗体结构和添加过渡段等手段,设计了一种C波段小型化高功率微波输出窗。通过增大窗体表面积、改变矩形波导-圆波导过渡段的连接方式可提高功率容量并缩小微波输出窗的纵向尺寸;采用“I”型的窗体结构可有效抑制三相点（真空-介质-金属）附近的次级电子倍增效应对输出窗性能的影响。在电磁仿真的基础上采用粒子模拟（Particle-in-Cell）的方法研究了微波输出窗三相点附近的次级电子倍增效应,从微观角度进一步证实了“I”型窗体结构可使三相点位置发生移动,减小三相点发射的电子在窗片表面产生次级电子倍增效应的概率,降低微波输出窗的击穿风险。设计结果表明,微波输出窗在中心频点处的主模反射系数低于0.01,传输效率高于99.9%,功率容量可达47.9 MW。     

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。     

混合场介质表面单边次级电子倍增效应统计

综合考虑发射电子的发射能量、发射角度及微波场的相位分布等因素,运用统计方法,研究了介质表面单边次级电子倍增过程中次级电子数目、瞬时直流场、渡越时间、微波场的沉积功率等次级电子倍增特征物理量随碰撞次数的变化过程,仿真分析了不同夹角、不同反射系数对次级电子倍增的影响。研究结果表明:当倾斜直流场一定时,微波场的反射系数越小,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越大;微波场一定时,当直流电场平行于介质板表面时,直流电场幅值越大,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越大,但当电场强度超过一定值时,次级电子倍增现象不再发生,当直流场垂直介质板表面,直流电场幅值越大,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越小,幅值超过一定值时,次级电子倍增现象同样不会发生。     

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。     

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     

低能二次电子对微波输能窗击穿现象的影响

在微波输能窗次级电子倍增效应的模拟研究中,往往忽视低能电子的作用。基于Monte Carlo算法,模拟输能窗次级电子倍增规律,研究了经典的Vaughan模型、Vincent模型和Rice模型三种二次电子发射模型下次级电子倍增效应的差异,通过拟合倍增敏感曲线,获得了低能电子对切向和法向电场作用下输能窗次级电子倍增效应的影响。模拟结果表明,当切向电场作用时,三个发射模型得到的敏感曲线几乎重合,低能电子对敏感曲线的影响甚微,其中Rice模型的敏感区域最大。当法向电场作用时,由Vincent模型拟合得到的敏感区域远大于其他两个模型。     

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。     

高功率微波介质窗表面电子倍增二维粒子模拟

基于第一性原理的粒子模拟方法,对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件,建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型,采用Vaughan二次电子发射模型,利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞,获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明,介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态,其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数,可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。     

高功率微波作用下介质窗表面电子运动2维仿真

建立了真空中高功率微波作用下介质窗表面电子运动2维仿真模型,充分考虑了微波电磁场及介质表面静电场等影响因素。通过对不同电子出射初始角度和微波场参数(电场幅值、频率及电子出射时电场相位)对电子运动状态影响的仿真分析,得到了二次电子倍增过程中电子在复合场下的运动轨迹、电子重新返回介质表面的撞击能量及返回时间等状态参数,获得了电子运动状态参数随电子出射角度和微波场参数的变化规律。研究发现:电子出射角度对其运动状态有显著影响,电子存在运动轨迹最大的某一出射角度,该角度下电子拥有最大的撞击能量;微波电场幅值的增加将使电子撞击能量增加,返回时间减小,微波电场相位的变化使电子的撞击能量和返回时间呈周期振荡,这从本质上解释了电子数量在二次电子倍增过程中以微波频率两倍周期振荡的原因;随着微波频率的增加电子将由简单的类抛物线运动转变为复杂的振荡运动。