腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式瞬态特性对比

为评估高阶模式二次电子倍增对加速器射频腔动态建场过程的影响,采用蒙特卡罗与粒子模拟相结合的方法对金属无氧铜腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式的瞬态演化及饱和特性进行了数值模拟对比研究.研究结果表明:二次电子倍增过程中,二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间呈现以指数形式快速增长后趋于饱和振荡的物理规律;相对一阶模式,三阶模式的饱和值更低且上升时间更长.放电电流存在延时现象,由此引发了二次电子倍增过程中部分充电现象的出现.统计发现平均放电功率等于平均沉积功率,三阶模式的放电功率大约是一阶模式1%的水平,由此判断加速器腔体动态建场过程中高阶模式的影响较小.二次电子倍增过程中,一阶模式呈现单电子束团加速运动特性,而三阶模式则呈现加速/减速/加速及多电子束团相向运动的复杂特性;二次电子倍增进入饱和后,三阶模式的空间电荷效应明显弱于一阶模式.     

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。     

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.     

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。     

双边二次电子倍增效应分析

 根据高功率微波源相互作用腔结构,建立了一种双边二次电子倍增效应模型。采用概率统计和蒙特卡罗模拟方法,计算了敏感曲线和二次电子的时间演化规律,分析了射频场参数和结构参数对二次电子倍增效应的影响。结果表明：高频场比低频场更容易发生二次电子倍增效应;二次电子倍增效应的时间演化与射频场的大小和腔结构呈非单调关系,且电子掠入射时比正入射时的共振区域要大得多,这与理论分析的结果一致。     

基于MILO结构的一种单边multipactor模型分析

根据高功率微波源相互作用腔的物理结构特性,以磁绝缘传输线振荡器（MILO）为例,建立了一种单边二次电子倍增效应（mulitpactor）模型.采用概率统计和蒙特卡罗（MC）模拟方法,计算了敏感曲线和二次电子的时间演化规律,分析了射频场参数对二次电子倍增效应的影响,并提出了减小和抑制二次电子倍增效应的具体措施. 关键词： 单边二次电子倍增效应 敏感曲线 二次电子的时间演化     

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。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。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。     

新型二次电子倍增阴极构型设计与动力学过程

提出了一种可由脉冲功率驱动的新型二次电子倍增阴极构型,并对其进行了动力学过程的初步理论研究。首先,针对该二次电子倍增阴极,建立了动力学模型,获得了二次电子的位移和速度方程,讨论了电子初始出射速度对其轨迹、渡越时间和碰撞能量的影响,理论给出了渡越时间和碰撞能量的近似解析表达式。其次,通过动力学方程与Vaughan二次电子产额经验公式的耦合求解,获得了该二次电子倍增阴极的工作区间,并对其进行了细致讨论。结果表明:该新型二次电子倍增阴极二极管概念上是可行的,在涂敷高二次电子产额系数材料的圆柱形介质上施加合适的轴向和径向静电场(MV/m量级)以及轴向静磁场(T量级),可以达到电子沿阴极表面螺旋行进过程中实现二次电子倍增并最终获得电流沿轴向放大的设计目标。另外,讨论了正电荷沉积引发的二次电子倍增饱和现象,并对阴极发射电流密度进行了理论粗估,结果表明:阴极发射电流密度可达kA/cm2水平,具备强流发射特性;增加外加径向场强幅值可有效提升阴极发射电流密度。     

一种二次电子发射的复合唯象模型

二次电子发射模型的精度对二次电子倍增击穿阈值的模拟计算影响很大, 针对现有两种经典二次电子发射唯象模型的不足, 以修正Vaughan模型作为Furman模型中的真二次电子发射系数计算模型, 建立起一种二次电子发射的复合唯象模型. 该模型不仅适用于倍增击穿过程的数值模拟, 还很大程度上提高了与实验数据拟合的准确性. 通过对银和铝合金两种材料二次电子发射系数实验结果和模型拟合结果的对比发现, 在不同入射角情况下, 复合唯象模型的平均误差较原有两种模型降低了10%以上. 关键词： 二次电子发射 唯象模型 击穿阈值     

利用非线性传输线产生高功率射频场

根据孤立子理论,分析了利用变容非线性传输线产生射频场的机理。利用电路仿真方法系统地研究了影响射频场产生的相关参数,发现电感和零压电容越小、输入电压越大,射频场的频率越高;电容的非线性率越大,射频场的峰值电压越高、高频成分越多。并在此基础上,仿真设计了能产生峰值功率为0.8 GW、主频为19.42 MHz射频场的非线性传输线。     

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     

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.     

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。     

Investigation of multipactor breakdown in communication satellite microwave co-axial systems

Multipactor breakdown or multipactor discharge is a form of high frequency discharge that may occur in microwave components operating at very low pressures. Some RF components of multi-channel communication satellites have co-axial geometry and handle high RF power under near-vacuum conditions. The breakdown occurs due to secondary electron resonance, wherein electrons move back and forth in synchronism with the RF voltage across the gap between the inner and outer conductors of the co-axial structure. If the yield of secondary electrons from the walls of the co-axial structure is greater than unity, then the electron density increases with time and eventually leads to the breakdown. In this paper, the current due to the oscillating electrons in the co-axial geometry has been treated as a radially oriented Hertzian dipole. The electric field, due to this dipole, at any point in the coaxial structure, may then be determined by employing the dyadic Green’s function technique. This field has been compared with the field that would exist in the absence of multipactor.     

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     

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。