稀薄空气中圆柱腔体内系统电磁脉冲的混合模拟

系统电磁脉冲广泛存在于强电离辐射环境中,且难以有效屏蔽.为了评估稀薄空气对系统电磁脉冲的影响,本文基于粒子-流体混合模拟方法,建立了三维非稳态模型,计算并分析了稀薄空气等离子体的特性以及其与电磁场响应的相互作用.结果表明,压力越高,光电子发射面附近的次级电子数密度越高,轴向分布的梯度越大,腔体中部的电子数密度在20 Torr(1 Torr=133 Pa)下出现峰值,而电子温度随压力升高单调递减.腔体内的稀薄空气等离子体阻碍了空间电荷层的产生,电场响应峰值比真空条件下的低了一个数量级,电场脉冲宽度也显著降低.光电子运动特性决定了电流响应的峰值,压力升高,到达腔体末端的电流先增加再减小.而等离子体电流会抑制总电流的上升速率,并使电流响应出现拖尾.最后,将数值模拟结果与电子束模拟系统电磁脉冲的实验结果进行比较,验证了本文混合模拟模型的可靠性.本研究所采用的混合模拟方法相比于粒子云网格-蒙特卡罗碰撞方法,大幅减小了计算消耗.     

稀薄空气中圆柱腔体内系统电磁脉冲的混合模拟

系统电磁脉冲广泛存在于强电离辐射环境中,且难以有效屏蔽.为了评估稀薄空气对系统电磁脉冲的影响,本文基于粒子-流体混合模拟方法,建立了三维非稳态模型,计算并分析了稀薄空气等离子体的特性以及其与电磁场响应的相互作用.结果表明,压力越高,光电子发射面附近的次级电子数密度越高,轴向分布的梯度越大,腔体中部的电子数密度在20 Torr(1 Torr=133 Pa)下出现峰值,而电子温度随压力升高单调递减.腔体内的稀薄空气等离子体阻碍了空间电荷层的产生,电场响应峰值比真空条件下的低了一个数量级,电场脉冲宽度也显著降低.光电子运动特性决定了电流响应的峰值,压力升高,到达腔体末端的电流先增加再减小.而等离子体电流会抑制总电流的上升速率,并使电流响应出现拖尾.最后,将数值模拟结果与电子束模拟系统电磁脉冲的实验结果进行比较,验证了本文混合模拟模型的可靠性.本研究所采用的混合模拟方法相比于粒子云网格-蒙特卡罗碰撞方法,大幅减小了计算消耗.     

圆柱体外SGEMP的三维数值模拟

研究复杂模型的系统电磁脉冲（SGEMP）特性,开发三维全电磁粒子模拟程序,用Monte Carlo方法计算电子发射的余弦角分布和指数能谱分布,作为校验,首先模拟光电子由圆柱端面向外发射的SGEMP模型,并与文献二维计算结果对比;用该程序对半径为10 cm,长度为20 cm的圆柱体只有一半侧面向外发射的三维SGEMP进行模拟,发现当发射电流为3.3A时,产生的电场最高可达56 kV·m^-1,磁场高达3.0×10^-6 T.     

腔体系统电磁脉冲模拟中的电子发射面

对电子发射面设置问题进行了研究,给出了底入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的实现方法,分析了侧入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的特点,并利用虚拟发射面的方法实现了侧入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的设置。结果显示,利用该方法可以较简洁地实现腔体系统电磁脉冲模拟中平面和曲面电子发射面的设置,发射面电子发射参数和时序符合物理规律。     

二次电子发射对系统电磁脉冲的影响

系统电磁脉冲难以有效屏蔽,会显著影响低轨航天器等重要装置和基础设施的性能.为了评估二次电子对系统电磁脉冲的影响,本文基于粒子云网格方法,建立了三维非稳态系统电磁脉冲模型,计算并比较了不同电流密度、金属材料等条件下,两种典型结构的电磁脉冲响应.结果表明,在计算模型中忽略二次电子发射会使部分位置的峰值电场强度被低估2—3倍,电场响应持续的时间也会被低估10%以上.在各类二次电子中,背散射电子对系统电磁脉冲的影响占主导,而真二次电子的作用约为背散射电子的1/5.二次电子发射对系统电磁脉冲的影响随着系统所用材料原子序数的增高而加大.空间电荷效应较强时,二次电子才会对腔体外系统电磁脉冲产生影响.本研究有助于更好地通过数值模拟来获得具体装置在强辐射环境下的系统电磁脉冲响应.     

高空电磁脉冲环境计算中的自洽方法

高空电磁脉冲环境计算中包含自洽过程,康普顿电流既是产生电磁脉冲的源项,同时又受电场的影响.本文从一维模型出发,经过合理近似,推导出康普顿电流与本地电场之间的解析关系.利用等效电导率的概念,将该自洽过程加入到原有计算模型中.利用粒子模拟和时域有限差分方法,对推导出的康普顿电流和电场关系进行验证.最后给出一个考虑自洽过程的高空电磁脉冲算例.     

深空核爆炸辐射电磁脉冲的初步解析

 采用壳模型分析深空核爆在远场产生辐射电磁脉冲的规律,对深空核爆电磁脉冲的形成机理进行研究。在已知电子运动规律的前提下,推导了发射电子的电偶极矩表达式,并得到了辐射电磁脉冲的特性。计算结果表明:远处辐射场的峰值电场与爆炸当量无关,但达到峰值的时间随爆炸当量增加而提前;电子初始动能的增大也能线性地提高峰值强度;峰值强度与上升时间常数及弹体半径的平方成正比。     

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。     

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。     

碳纳米管冷阴极场致发射中栅网特性

利用三维粒子模拟软件对大面积生长无序碳纳米管冷阴级三级结构发射特性进行仿真,对六边形、三角形和正方形3种不同网孔结构栅网下的碳纳米管冷阴极场致发射特性进行研究。通过计算冷阴极表面电场分布及场致发射电子注的通过率,得到不同图形发射效率随网孔尺寸变化的规律。进一步横向对比,得出栅网最佳图形为六边形的结论,其最大电子注通过率为75%。     

指数掺杂GaAs光电阴极量子效率的理论计算

将GaAs光电阴极发射层掺杂浓度由体内到发射表面从高到低的进行指数掺杂，能在发射层形成一个恒定的内建电场，有利于光电子的逸出.在考虑内建电场的作用下，通过建立和求解少数载流子所遵循的一维连续性方程，得到了反射式和透射式指数掺杂阴极的量子效率公式，并利用这些公式对其量子效率进行了理论计算和仿真.计算结果显示发射层指数掺杂能较明显的提高阴极的量子效率，与均匀掺杂阴极相比，能使反射式阴极积分灵敏度提高约20%，透射式阴极提高30%以上.指数掺杂提高阴极量子效率的主要原因与内建电场有关，光电子在内建电场作用下以扩散加漂移的方式到达阴极表面，从而减小了后界面复合速率对阴极的影响，同时提高了阴极的等效电子扩散长度. 关键词： 指数掺杂 内建电场 能带结构 量子效率     

空气介质阻挡放电发射光谱测量及放电过程粒子分析

发射光谱是对等离子体进行检测和诊断最常见的应用方法,提供了等离子体的化学和物理过程丰富的信息,放电过程中等离子的动力学行为的分析研究对于气体放电机理及其应用具有重要的作用。设计了一套介质阻挡空气放电光谱测量装置,测量了在实验条件下的发射光谱数据,通过发射光谱分析了介质阻挡放电等离子体的粒子演化。建立了数值计算模型,耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于介质阻挡空气放电过程中的各种粒子变化规律进行了分析,解释了发射光谱的特征。结果表明,约化场强越大,激发的粒子数的浓度越大。对于40,60与80 Td的约化场强,同一时刻同种粒子数的浓度会有一到两个数量级的差距。电场的激发产生了大量的N₂(A3),N₂(B3)与N₂(C3)的粒子,但是由于其能级较高,而迅速发生了转化,并且在放电的10-6 s后,这些粒子的产生与转化达到了平衡。相比激发态氮分子,O₂(A1) O₂(B1)与O₂(A3Σ+_u)的峰值浓度并不低,这些粒子的能量相对较低,跃迁产生的谱线波长较长,光谱仪并未清晰捕捉到氧分子的发射光谱。O粒子的峰值浓度较小,因此其跃迁产生的发射光谱较弱。放电过程中产生的较为稳定的O₃浓度持续增加,NO₂的浓度达到峰值后也不会下降。建立的模型计算结果可以很好地解释实验中测量得到的发射光谱数据。     

Control of nanoparticle size and agglomeration through electric-field-enhanced flame synthesis

The isolated study of electrophoretic transport of nanoparticles (that are innately charged through thermionic emission), with no ionic wind, has been conducted under uniform electric fields. Titania nanoparticles are produced using a burner-supported low-pressure premixed flame in a stagnation-point geometry from corresponding organometallic vapor precursor. The material processing flow field is probed in-situ using laser-induced fluorescence (LIF) to map OH-radical concentrations and gas-phase temperatures. The experimental results of particle growth under different applied electric fields are compared with computations using monodisperse and sectional models. The results show that such electric field application can decrease aggregate particle size (e.g. from 40 to 18 nm), maintain metastable phases and particle crystallinity, and non-monotonically affect primary particle size (e.g. from 6 to 5 nm) and powder surface area. A specific surface area (SSA) for anatase titania nanopowder of 310 m²/g, when synthesized under an applied electric field of 125 V/cm, is reported. Results are also given for the synthesis of alumina nanoparticles.     

Influence of built-in electric filed on the energy and emergence angle spreads of transmission-mode GaAs photocathode

In order to research the transport characteristic of photoelectrons in different-structure transmission-mode GaAs photocathodes, the energy and emergence angle spreads of photoelectrons reaching the band-bending region are calculated and the photoemission properties are analyzed. Based on the established atomic configuration models and ionized impurity scattering formulas of the uniform-doping and exponential-doping photocathodes, the trajectories of photoelectrons in different GaAs photocathodes have been calculated. The results show that, the emergence angle spread of the exponential-doping photocathode is more centralized than that of the uniform-doping one. The influence of the built-in electric field on the photoemission is obvious in the short-wave region. The built-in electric field not only increases the quantum efficient, but also improves the resolution of photocathode. This research can be propitious to investigate the photoemission mechanism, and to analyze the effect of the excited photoelectrons on the image intensifier performance.     

不同电场下碳纳米管场致发射电流密度研究

本文运用密度泛函理论和金属电子论, 深入研究了碳纳米管场致发射电流的变化规律. 结果显示其发射电流密度取决于体系的态密度、赝能隙、管长和局域电场, 在不同范围电场下的变化规律不同. 在较低电场下, 发射电流密度随电场增强而近似线性增大(对应的宏观电场须小于18 V· μm^-1); 但在较高电场下, 发射电流密度随外电场增加呈现非周期性振荡增长趋势, 碳纳米管表现为电离发射. 本文进一步研究了金属性碳纳米管电导率在不同电场下的变化规律.     

Electrically induced luminescence in parabolic quantum wells in a magnetic field

Interband luminescence in a parabolic quantum well is studied in applied electric and magnetic fields. It is shown that the luminescence peak is displaced towards higher frequencies with increasing magnetic field strength, while an increase in the electric field strength causes a displacement of the emission peak towards the long-wave region and a decrease in its amplitude. The theoretical results are compared with the experimental data. The existence of a new electromagnetic-wave emission channel (electrically induced luminescence) associated with indirect optical transitions is predicted. The frequency dependence of the electrically induced radiation is computed, taking into account the interaction of an electron with acoustic and optical phonons. It is found that the half-width of the luminescence peak increases with the electric field strength.     

Simulation of transport and relaxation of hot electrons in the near-surface layers of nanostructured and crystalline silicon dioxides

Computer simulation has been performed to investigate the transport and energy relaxation of photoelectrons in the near-surface layers of nanostructured and crystalline silicon dioxides in the presence and absence of an electric field. Calculations have shown that nanostructured samples have a shorter hot-electron thermalization time and exhibit weaker influence of an electric field on the electron energy relaxation process than the bulk crystal. The size effect calculated in terms of electron thermalization time is most pronounced at particle sizes less than 5 nm.     

Field emission characteristics of screen-printed carbon nanotubes cold cathode by hydrogen plasma treatment

Selective plasma etching and hydrogen plasma treatment were introduced in turn to improve field emission characteristics of screen-printed carbon nanotubes (CNTs) cold cathode, which was prepared by using slurry of mixture of multi-wall CNTs, organic vehicles and inorganic binder, i.e. silicon dioxide sol. The results show that selective plasma etching process could effectively remove parts of surface inorganic vehicle (SiO₂) layer and expose more smooth and clean CNTs on cathode surface, which could significantly decrease the operating field of CNTs cathode. There are some nanoparticles emerging on the out of CNTs wall after hydrogen plasma treatment, which are equivalent to increase field emission point of cathode. At the same time, these nanoparticles can increase the local electric field of CNTs, which can decrease operating voltage of CNTs cathode and improve uniformity field emission.     

空间电荷效应对热场致发射中诺廷汉效应的影响

热场致发射阴极所产生的强流电子束具有很强的空间电荷效应,为研究该效应对热场致发射过程中诺廷汉（Nottingham）效应的影响机理,在理论分析的基础上,用数值方法研究了不同逸出功和多个外加电场条件下考虑空间电荷效应对诺廷汉效应结果的影响,并与不考虑空间电荷效应时的情形进行了对比. 结果表明：空间电荷效应的强弱会显著影响到阴极表面的稳态电场,进而对诺廷汉效应产生不可忽略的影响;当逸出功在3.0–4.52 eV、外加电场在3×10⁹–9×10⁹ V/m范围内时,考虑空间电荷效应的影响后,热场致发射电子所带走的平均能量较不考虑空间电荷效应时增加0–2.5 eV,且温度越高或外加电场越大时,该增加值越大;考虑空间电荷效应对诺廷汉效应的影响后,热场致发射电子从阴极带走的平均能量随外加电场的增加呈非线性下降规律;当阴极表面温度较高时,诺廷汉效应中的冷却效应随二极管间隙距离的变大而增强. 关键词： 热场致发射 诺廷汉效应 空间电荷效应 阴极表面电场     

胶体金纳米颗粒的荧光光谱特性

研究了胶体金纳米颗粒的荧光激发光谱和荧光发射光谱特性.增大激发光的波长,发射峰相应红移并在629nm达到最强,对应的灵敏激发波长为473nm.增加金纳米颗粒粒径,观察到发射谱的峰值先增大然后减小.发射峰产生的原因在于电子与带间空穴的复合导致非线性共振光散射.发射峰强度和金颗粒粒径的关系可以用表面等离子体震荡引起的局域场增强来解释,数值计算结果和实验结果能较好的吻合.