磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。     

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。     

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。     

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。     

收集极释气对相对论返波管影响的粒子模拟

相对论返波管被认为是最具有应用潜力的高功率微波器件之一.随着输出微波功率的进一步提高,相对论返波管内部包括收集极处的击穿现象越来越严重,最终导致脉冲缩短,成为器件向高功率、高能量方向发展中的最大障碍,也是目前制约其发展的重要问题之一.本文基于自主研发的2.5维粒子模拟软件UNIPIC-2D,采用动态释气模型研究了不同释气系数下相对论返波管收集极释气与电离过程及引导磁场的影响.粒子模拟结果表明,随着电子不断轰击收集极,收集极表面气压升高,并发生气体电离,产生的等离子体沿引导磁场进入慢波结构区域,影响束-波相互作用过程,使得输出功率下降;随着释气系数的增大,脉冲缩短现象越来越明显;在低引导磁场情况下,击穿以及脉冲缩短现象得到一定的缓解.     

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.     

雪崩晶体三极管性能及线路

一般介紹 在电子管中有一类气体放电器件,它的特性与普通真空器件不同,除了电子是电荷的载流子外,离子亦是电荷的载流子。这种气体放电器件的簡单工作原理是:阳极与阴极间的电位足够高,从阴极跑出来的电子的速度达到了气体的电离电位。在电离过程中产生了正离子及电子。这些正离子及电子再与其它气体粒子     

三代管MCP离子阻挡膜研究

三代管中GaAs光电阴极的表面Cs-O层经不住正离子的轰击,但在MCP的通道内,由于二次电子倍增,在MCP通道的输出端,电子密度较大,所以MCP通道内的残余气体分子就会被电离,正离子在电场的作用下向阴极方向运动,最终轰击阴极的表面Cs-O层,使阴极的灵敏度衰退.所以在MCP的输入端制作一层Al₂O₃离子阻挡膜对延长阴极的寿命是至关重要的作用.本文介绍了MCP离子阻挡膜的离子阻挡和电子透射原理,离子阻挡膜厚度的确定以及离子阻挡膜的制作工艺.     

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     

充氦气对多波切伦柯夫振荡器工作特性的影响

采用PIC模拟方法,研究了具有谐振腔的多波切伦柯夫振荡器在充入不同密度的氦气下工作的物理过程,分析了等离子体产生物理机制及其对微波输出影响。结果表明,等离子体的产生是由于电子束对氦原子的碰撞电离及其雪崩效应引起的。由于电离产生的正离子有利于束的传输和群聚,当在一定范围内增加氦气密度时,可减小微波起振时间,提高束波能量转换效率,但并不改变微波频率;进一步增大气体密度,微波起振时间增大、效率下降,甚至出现脉冲缩短现象。     

磁绝缘线振荡器阴极烧蚀与电压波形的关系研究

通过粒子模拟和实验研究相结合的方法,研究了磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀与输入电压波形的关系,找到了造成阴极烧蚀的根本原因,给出了电子束回轰阴极的清晰图像,并通过对低阻抗加速器平台输出电压波形的调整,抑制了反向电压,解决了器件的阴极烧蚀问题.研究结果表明:在正向电压作用下已经发射出来的电子束在超过一定幅度的反向电压作用下发生反向运动并回轰阴极,产生反向电流并造成器件阴极的烧蚀,因此注入电压下降沿之后的反向电压是引起磁绝缘线振荡器的阴极烧蚀的最根本因素.     

向内发射磁绝缘振荡器

提出了一种向内发射磁绝缘振荡器,并给出了微波轴向提取的方法。这种新型结构通过外置阴极、内置阳极,使参与束波作用的轮辐电流通过阳极回流提供了自磁绝缘的角向磁场,有提高器件效率的可能。而外置阴极使阴极的发射面积增大,发射电流密度减小,有利于延长阴极寿命。通过粒子模拟,得到了几何参数与磁绝缘线振荡器输出功率的关系。在电压890 kV,电流56.1 kA下,输出功率为3.6 GW,频率为8.2GHz。     

阶梯阴极型L波段MILO的实验研究

 对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器（MILO）进行了实验研究。介绍了测试方法与测试系统；开展了阴极电子发射实验，发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一；并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究。在电子束电压约420 kV、电流33 kA的条件下，得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1.22~1.47 GW，脉宽大于20 ns，频率为1.21 GHz，束波转换效率约为10%，器件产生微波模式为TM01模，经过模式转换器后的辐射模式为TE11模。     

碳纳米管阴极强流脉冲发射放气特性研究

为了研究碳纳米管(CNT)阴极强流脉冲发射特性, 在2MeV直线感应加速器(LIA)注入器平台上开展了阴极放气特性实验. 研究结果表明：碳纳米管阴极强流发射时伴随有严重的阴极放气, 阴极放气参与形成阴极等离子体. 对于特定的几次实验, 通过数值积分估算了阴极材料的放气量为0.8—1.12Pa·L, 释放的气体分子数目与电子数目之比为254—203, 说明阴极等离子体为弱电离等离子体. 分析了二极管电压、发射电流密度、放气量以及放气分子数目/电子数目之间的关系     

双阶梯阴极型磁绝缘线振荡器设计与模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器（MILO）和渐变型MILO的特点,提出了一种新型双阶梯阴极型MILO。该器件前2个叶片为扼流片，中间3个叶片为主作用叶片,后面1个为提取叶片，在电流发射区与慢波结构径向相对的阴极部分分为3段，形成双阶梯阴极结构。根据Maxwell方程和Floquet定理导出其色散方程，并对其振荡主频作了理论分析。2.5维粒子模拟表明，器件工作频率为1.21 GHz，与理论预测相符，双阶梯的引入，对器件阻抗和振荡频率影响较小。在工作电压458 kV、电流40.5 kA条件下，双阶梯阴极结构将MILO输出功率从2.20 GW提高到2.88 GW，功率转换效率从12.0%提高到15.5%。     

X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。