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。     

Saturation of a one-sided multipactor in a decelerating electrostatic field

We analyze the saturation mechanism of a vacuum resonance microwave discharge (multipactor) where the decelerating electrostatic field returns electrons to the secondary-emission multiplying surface. It is found that the Coulomb defocusing of electron bunches prevails over their microwave focusing (toward the resonance phase of the field) in the stationary state, making it possible to extract superfluous secondary electrons when the electron bunches are reproduced on the discharge surface. Using this model, we determine the main characteristics of this multipactor, such as the magnitude and phase disposition of the resonant electron bunch. An explanation of the increase in the discharge power with increase in the secondary-emission coefficient is given. Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, Russia. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 42, No. 11, pp. 1097–1104, November, 1999.     

Saturation of a One-Sided Multipactor in Crossed Fields

We analyze the saturation mechanism of a vacuum resonance microwave discharge (multipactor) for systems in which a magnetostatic field returns electrons to the metal surface with secondary-emission multiplying. The steady-state model suggested earlier is improved essentially. In particular, we take into account the near-surface interaction of saturated electron bunches during the limited time of discharge-electron-surface impact. It is found that the Coulomb defocusing of electron bunches prevails over their microwave focusing (toward the resonance phase of the field), making it possible to extract superfluous secondary electrons when the electron bunches are reproduced on the discharge surface. Basic characteristics of the discharge, such as its existence conditions and proper fields and phase disposition of the resonance electron bunches, are determined as functions of the magnetostatic field and the secondary-emission coefficient. The results are discussed in comparison with the data of known experiments. An explanation of some differences related to both the observation conditions and the used analytical model is given.     

Influence of an external magnetic field on the threshold of multipactor onset on a dielectric surface

In this paper, we propose a theoretical model of the initial stage of development of a one-sided secondary-emission (multipactor) discharge on a dielectric surface. Consideration is based on a statistical method supported by an exact analytical solution for the transit-time distribution function of secondary electrons. The general integral equation allowing us to determine the stationary emission-phase distribution functions and the threshold of multiplicator onset in the presence of an external magnetic field is formulated. It is shown that the presence of an external magnetic field can significantly change the conditions of multipactor onset. It is found that the discharge-zone boundaries calculated within the framework of a statistical model are in qualitative agreement with the results obtained by the Monte-Carlo method. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 50, No. 2, pp. 118–133, February 2007.     

Statistical Theory of Two-Sided Multipactor

We develop a statistical theory of secondary-emission discharge (SED) taking the energy distribution of secondary electrons into account. The theory allows one to describe quantitatively the initial stage of development of a two-sided multipactor. For an arbitrary probability density of normal components of the ejection velocity and an arbitrary distance between the walls enclosing the microwave discharge plasma, we construct an analytical solution for the electron distribution function over transit times. The performed analysis is based on the results of a detailed study of conditions under which an electron reaches the opposite side. With allowance for the spread in thermal velocities, we derive a recurrence relation between the electron distribution functions over emission phases and formulate a general integral equation from which the resulting stationary distribution and the threshold of SED onset are determined.     

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。     

Multipactor discharge on a dielectric surface in the field of circularly polarized plane waves

The secondary-emission discharge (multipactor) on a dielectric surface irradiated by a plane TEM wave of circular polarization is analyzed theoretically. It is shown that interaction of electrons with the electromagnetic wave field can provide their return to the emission surface, which makes a multipactor possible even without any external static fields. Multipactor conditions for different reflection coefficients of the incident wave are found. The obtained results are used to estimate the throughput of the output window of a high-power vacuum microwave device. Specifically, it is established that decreasing the high-frequency field amplitude on the window surface when the mode of a partially standing wave is realized in the vicinity of the window does not always help raise its electric strength.     

倾斜直流场下的介质板击穿统计分析

传统分析介质板次级电子倍增问题的粒子追踪算法方法存在运算耗时长、运算量大等缺点,为此采用统计方法实现了倾斜强直流场下介质击穿过程中次级电子倍增效应的数值模拟,给出了击穿过程中电子数量,电子渡越时间等关键参数的时间图像,同时研究了倾斜角、介质表面光滑度和次级电子产生率对次级电子倍增效应的影响。研究结果表明:强直流场下的次级电子倍增效应存在倾斜角的区域,倾斜角太大或者太小,都可能不会发生次级电子倍增效应,如果倾斜角位于区域内,则饱和状态时电子数目随着倾斜角度的变大而变小;选取光滑系数和次级电子产生系数越小的介质材料,抑制次级电子倍增效应的效果越好。     

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。     

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.     

多载波微放电中二次电子横向扩散的概率分析

长周期多载波微放电是近年来新发现的、主要发生在宽带、大功率真空微波部件中的二次电子倍增放电现象. 与发生在单个载波周期中的多载波微放电相比, 长周期多载波微放电来源于多个载波周期间的二次电子累积, 具有相对较低的放电阈值和不可预测性, 对空间和加速器应用中宽带大功率微波部件的长期可靠性带来了新的隐患. 为解决长周期多载波微放电阈值分析中非均匀场激励下二次电子累积的理论计算问题, 本文采用概率方法, 通过引入随机漫步和Branching Levy漫步模型, 对微放电过程中二次电子横向扩散所需遵循的概率模型进行了严格的推导, 并采用所得的概率密度函数, 给出了主模为TE₁₀模的矩形波导中多载波激励下二次电子积累过程的纯理论计算. 与相同条件下采用粒子仿真所得的结果对比, 本文给出的计算结果与仿真结果相符合, 同时计算耗时减少了接近一个数量级. 本文报道的二次电子横向扩散的概率描述可广泛应用于高功率真空电子和电磁器件领域. 关键词： 多载波微放电 二次电子 随机漫步 概率密度     

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。     

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     

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。     

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.     

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。     

微波器件微放电阈值计算的蒙特卡罗方法研究

为了精准快速地计算微波器件中微放电效应的阈值,在传统蒙特卡罗方法的基础上,提出了三种不同的蒙特卡罗方法,分别对二次电子的初始能量、出射角度和初始相位等参数进行随机,结合四阶龙格-库塔法和Furman模型计算电子的运动轨迹和单次碰撞产生的二次电子发射系数,然后应用不同的方法计算有效二次电子发射系数作为微放电效应的判据.以平板传输线TEM模式为研究对象,采用四种不同的蒙特卡罗方法计算微放电阈值,并与统计模型结果进行对比.结果表明单电子-多碰撞蒙特卡罗方法误差最小,而且稳定性最好.     

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