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     

介质单边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对介质单边二次电子倍增现象,理论分析给出了其动力学方程、二次电子初始能量与角度分布,结合二次电子发射的材料特性,研究了二次电子倍增的理论预估敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系;采用固定时间步长并考虑电子束动态加载饱和效应的细致蒙特卡罗方法,研究了二次电子数目、直流场、射频场、介质表面沉积功率、电子放电功率、二次电子碰撞能量及电子渡越时间等二次电子倍增特性物理量的变化过程,并且讨论了初始电流及二次电子倍增工作点对二次电子倍增整个过程的影响作用,得出了二次电子倍增存在初始阈值发射电流密度的结论。     

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.     

刻周期半圆弧槽窗片对次级电子倍增效应的抑制

为了抑制高功率盒形窗内的次级电子倍增效应,研究了一种刻周期半圆弧槽窗片结构. 通过对槽内电场进行分析,证明了半圆弧状槽可以有效避免尖锐边界的局部场增强效应. 利用蒙特卡罗随机算法对槽内的次级电子倍增效应进行数值模拟,跟踪次级电子的轨迹及发展趋势,获得了不同槽宽所对应的抑制次级电子倍增最低电场强度. 讨论了法向电场对半圆弧槽抑制次级电子倍增的影响. 该结构有望在高功率速调管中获得应用. 关键词： 盒形窗 半圆弧槽 次级电子倍增 蒙特卡罗模拟     

金属壁与介质窗之间次级电子倍增效应的研究

高功率盒形窗内的TM11模法向电场对次级电子倍增现象具有较大的影响,特别是在介质窗片与金属波导壁相对的区域,易发生双面次级电子倍增.采用蒙特卡罗粒子模拟方法,研究了法向电场作用下氧化铝陶瓷窗片与铜波导壁之间的双面倍增敏感曲线、倍增阈值电压、粒子数量的演变过程以及粒子运动轨迹.通过对相关参数的分析,获得了金属壁与陶瓷窗片之间双面谐振倍增和非谐振倍增的规律以及双面倍增向单面倍增转变的特点.此研究可为分析窗片失效机理提供理论依据.     

110 GHz微波输出窗内表面次级电子倍增特性的电磁粒子模拟

在输出窗内表面上,次级电子倍增是限制高功率微波功率容量的主要因素之一,因而开展相关研究具有重要的意义.在微波频率为110 GHz下,本文通过一维空间分布和三维速度分布的电磁粒子模型对次级电子倍增过程及其引起的损失功率进行了数值模拟.重点研究了介质表面处的微波电场和介质材料种类对损失功率的影响.模拟结果表明,在次级电子倍增达到稳态之后,尽管电子数密度高于临界的截止数密度,但是微波电场没有发生明显的改变.这是因为在很高的静电场下,电子主要聚集在介质表面附近若干微米的区域,远小于相应的趋肤深度.倍增稳态时的电子数密度随着微波电场升高而增加,然而损失功率与表面处的微波功率之比增加得较为缓慢.在倍增达到稳态之后,由于蓝宝石表面附近的电子数密度最高,石英晶体表面附近的次之,熔融石英表面附近的数密度最低,所以相应的损失功率依次减小.为验证模型的准确性,将倍增阈值的模拟值与实验数据进行了对比,并讨论了两者之间的差异.     

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.     

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.     

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。     

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。     

Power deposited on a dielectric by multipactor

We use a simple transmission line model to evaluate the RF power deposited on a dielectric window by a multipactor discharge. The calculation employs Monte Carlo simulation, using realistic secondary electron yield curves as input, and taking into account the distributions in the emission velocities and emission angles of the secondary electrons. Beam loading on the external RF, as well as the evolution of the DC electric field due to dielectric charging, are also accounted for. It is found that the buildup of the multipactor space charge, rather than beam loading, causes saturation. Over a wide range of operating conditions and materials, it is found quite generally that the multipactor delivers on the order of 1 percent, or less, of the RF power to the dielectric. A simple estimate is given in support of this ratio, using the susceptibility diagram that was constructed from kinematic considerations. Comparison with experimental results is given     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

介质面刻槽抑制二次电子倍增蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法,针对介质表面刻槽抑制二次电子倍增的实验现象,进行了数值模拟研究。给出了二次电子倍增动力学方程、刻槽边界条件、二次电子初始能量与角度分布以及发射率分布关系;讨论了槽深、槽宽对二次电子倍增的抑制效果,以及同一刻槽结构对不同微波场强度和频率的二次电子倍增抑制能力;分析了双边二次电子倍增区域。数值研究结果表明:增加槽深、缩短槽宽可以抑制二次电子倍增;同一刻槽结构,更易于抑制高频场、场强较低或较高下的二次电子倍增;刻槽尺寸的选择还应避开双边二次电子倍增区间。将数值模拟结果与相关实验现象进行了对比,吻合得较好。     

横磁模下介质表面二次电子倍增的抑制

在介质加载加速器结构(DLA)内, 提出采用刻槽结构结合外加磁场的方法用于在电磁场横磁(TM)模式下抑制介质表面的电子倍增. 通过理论分析和数值模拟, 比较了刻槽结构和纵向磁场对斜面上电子碰撞能量和渡越时间的影响, 得到了在介质表面同时存在法向RF电场及切向RF电场时, 采用刻槽结构并施加一定的纵向磁场强度, 可有效抑制二次电子倍增的发展, 提高介质面的击穿阈值.     

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。     

二次电子倍增对射频平板腔建场过程的影响

建立了射频平板腔动态建场等效电路以及腔体双边二次电子倍增的混合物理模型,利用自主编制的1D3V-PIC二次电子倍增程序和射频平板腔动态建场全电路程序,研究分析了不同腔体Q值情况下二次电子倍增对射频平板腔动态建场过程的影响.数值模拟表明：射频平板腔建场过程中不存在二次电子倍增的情况下,腔体Q值越高,建场时间越长,注入能量等于腔体储能和腔体耗能,建场前期腔体储能速度快于耗能速度,建场后期腔体耗能速度快于储能速度,建场成功后平均腔体消耗功率与平均注入功率相等.射频平板腔建场过程中存在二次电子倍增情况下,腔体Q值越高,进入二次电子倍增的时刻越晚,二次电子倍增作用时间越长;二次电子发射面积越大,二次电子电流峰值越高.二次电子倍增的持续加载,最终会导致射频平板腔建场过程的失败;腔体Q值越高或二次电子发射面积越大,射频平板腔建场成功的概率越低.相关模拟结果可为工程设计提供一定的参考.     

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。