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为了提高等离子体废物处理效率,根据磁流体动力学理论,利用计算流体力学软件FLUENT,采用磁矢量势的方法对直流双阳极非转移型电弧等离子体炬进行了二维轴对称数值模拟。计算中采用了SIMPLE算法。数值模拟得到了等离子体的温度、速度等分布。结果表明,等离子体的温度随着轴向距离的增加而减小,随弧电流增加而增加;其速度随着轴向距离的增加而先增大后减小,随弧电流增加而增加;等离子体炬出口处的温度和速度随着径向距离的增加而减小。这些结果与实验结果基本相符。     

等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性

利用PIC (particle-in-cell) 方法，结合实验装置的几何结构和实验结果，采用动态开关模型，对微秒等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性进行了研究。模拟得到了与实验结果符合较好的开关电压和负载电流波形，并给出了开关下游出现的稀薄等离子体的密度(约1012 cm-3)和速度(约1 cm/ns), 同时也得到了开关下游的空间电流分布。模拟结果表明，开关下游的结构应避免阻抗突变以减少电流损失，同时提高开关阻抗可有利于提高负载上的最大功率。     

激光等离子体相互作用的数值模拟

 基于激光等离子体相互作用的复杂物理过程的数学模型，采用PIC方法分别研究了P极化和S极化非均匀短脉冲强激光入射均匀分布的稠密等离子体时引起的空泡、成丝等物理现象。模拟了激光脉冲在真空中的3维传播形貌。由3维密度分布图发现：激光产生的巨大的有质动力向两侧推动粒子，形成等离子体密度通道；当激光脉冲入射等离子体区域后，纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处。     

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针对准中性Vlasov-Poisson系统中多尺度物理参数共存的问题开展研究,采用渐近保持格式推导出与Vlasov方程相耦合的Poisson方程。数值模拟了一维等离子体在真空中的膨胀,比较了渐近保持PIC算法与传统PIC算法模拟结果的异同。结果表明：两种算法在满足多尺度中小尺度量限制的前提下,其结果保持高度一致;且在克服小尺度量束缚时,渐近保持PIC算法依然可以正确地模拟等离子体的物理行为,大大节省了计算时间。     

渐近保持PIC算法在等离子体粒子模拟中的应用

针对准中性Vlasov-Poisson系统中多尺度物理参数共存的问题开展研究,采用渐近保持格式推导出与Vlasov方程相耦合的Poisson方程。数值模拟了一维等离子体在真空中的膨胀,比较了渐近保持PIC算法与传统PIC算法模拟结果的异同。结果表明：两种算法在满足多尺度中小尺度量限制的前提下,其结果保持高度一致;且在克服小尺度量束缚时,渐近保持PIC算法依然可以正确地模拟等离子体的物理行为,大大节省了计算时间。     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

 分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟，结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场，电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

稀薄等离子体稳态流动的数值模拟

为了模拟稀薄等离子体超音速稳态流动,建立了PIC/DSMC混和方法模型.以稳态等离子体推力器(SPT-70)为对象,进行了数值模拟.输入条件来自在真空舱内对SPT-70的实验测量和相关性能计算,数值结果与实验结果的比较表明:本文建立的数学模型和编制的软件是可信的,可以为电推力器性能评价及潜在的羽流污染评估提供有效途径.     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

多悬浮电流环的稳定性问题

在多极场等离子体装置中,要用到悬浮电流环。本文讨沦靠磁力支撑的多个悬浮超导电流环的位移稳定性问题,得到了关于这一稳定性的一般性判据,并在轴对称系统的情况下予以讨论。     

基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.     

Post-solitons and electron vortices generated by femtosecond intense laser interacting with uniform near-critical-density plasmas

Generation of nonlinear structures, such as stimulated Raman side scattering waves, post-solitons and electron vortices, during ultra-short intense laser pulse transportation in near-critical-density (NCD) plasmas is studied by using multi-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations. In two-dimensional geometries, both P- and S-polarized laser pulses are used to drive these nonlinear structures and to check the polarization effects on them. In the S-polarized case, the scattered waves can be captured by surrounding plasmas leading to the generation of post-solitons, while the main pulse excites convective electric currents leading to the formation of electron vortices through Kelvin-Helmholtz instability (KHI). In the P-polarized case, the scattered waves dissipate their energy by heating surrounding plasmas. Electron vortices are excited due to the hosing instability of the drive laser. These polarization dependent physical processes are reproduced in two different planes perpendicular to the laser propagation direction in three-dimensional simulation with linearly polarized laser driver. The current work provides inspiration for future experiments of laser-NCD plasma interactions.     

低温等离子体数值模拟方法的分析比较

分析比较了低温等离子体模拟中采用的流体模型、粒子模型和混合模拟方法及在放电特性分析中采用的电路模拟方法。给出了每种方法的基本原理,探讨了它们的适应性。利用粒子模型对外磁镜场作用下四阳极装置辉光放电所产生等离子体进行了模拟,分析了磁场对电子密度径向分布的影响。     

轴对称平板二极管空间电荷限制流的2维效应

 应用精度较高的体积加权电荷、电流分配模型，对轴对称平板二极管的空间电荷限制流2维效应进行了粒子模拟研究。选取电压分别为100 kV和1 MV两种情况，对空间电荷限制流受二极管尺寸影响的规律进行了模拟。模拟结果表明，2维效应使空间电荷限制流密度随二极管形状因子(阴极发射半径与阴阳极间隙的比值)的减小而增大，且受相对论效应的影响不明显。经数值拟合得到了空间电荷限制流2维效应与形状因子相关的二阶经验公式，其一阶系数与一阶理论结果基本一致，约为1/4。     

共振线俘获对碰撞激发X光激光增益特性的影响

以类氖-锗离子为例,用逃逸概率方法研究了共振线俘获效应对电子碰撞激发X光激光增益特性的影响。对波长为19.6nm,23.2nm和23.6nm等三条激光线,讨论了增益特性对增益区宽度ΔR和介质速度梯度dV/dZ的依赖关系.     

Chirping and spreading of ultrashort laser pulses in underdense plasmas

A linear theory on the propagation of ultrashort pulses including only a few cycles in underdense plasmas is presented. It is shown that the dispersion in plasmas causes severe distortions in the pulse shape, including pulse chirping and spreading. The analytical calculations coincide very well with those obtained by particle-in-cell (PIC) simulations. The upper limit of the peak amplitude of the pulses, above which the linear theory breaks down due to the setting in of nonlinear effects of both the relativistic electron-mass increase and ponderomotive force, is also examined by PIC simulations. At certain high amplitudes, it is found that the ultrashort laser pulses can propagate like solitons.     

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV,电流8.95 kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0 GW,波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。     

低气压条件下氢气潘宁放电的模拟分析

为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义. 关键词： 潘宁放电 氢气 粒子模拟 蒙特卡罗     

Influence of the surface conditions on rf plasma characteristics

The secondary electron emission is a surface dependent phenomenon, more influenced by surface preparation than by the material itself. The present paper deals with the effect of the electrode surface conditions: clean (atomically clean) and contaminated electrodes (standard conditions even after mechanical and chemicals cleaning) on the characteristics of an asymmetric discharge by PIC/MCC simulations. In the arrangement with one clean and one contaminated electrode the discharge characteristics strongly depend upon which electrode is powered. The obtained PIC/MCC simulation results indicate that contamination of electrodes and variations of the secondary electron emission coefficients can lead to more or less significant changes in properties of rf plasmas.     

The evidence for electrical currents in cosmic plasma

With the advent of fully three-dimensional, fully electromagnetic, particle-in-cell simulations, investigations of Birkeland currents and magnetic-field-aligned electric fields have become possible in plasmas not accessible to in situ measurement, i.e. in plasmas having the dimensions of galaxies or systems of galaxies. The necessity for a three-dimensional electromagnetic approach derives from the fact that the evolution of magnetized plasmas involves complex geometries, intense self-fields, nonlinearities, and explicit time-dependence. A comparison of the synchrotron radiation properties of simulated currents to those of extragalactic sources provides observational evidence for galactic-dimensional Birkeland currents     

环形与平面光学涡旋共线叠加的复合涡旋

将环形与平面涡旋核重合并共线叠加,在多个直径上得到圆对称分布的复合涡旋,模拟计算结果表明,其强度也呈圆对称分布.对具有任意参量的上述叠加方式得到的复合涡旋,提出了一种求解共线叠加复合涡旋位置的图解方法,利用该方法可以得到准确的涡旋位置分布特性,且确定的涡旋位置与数值模拟结果一致.