超短超强激光实验伴生电磁脉冲的模拟研究

靶室腔体谐振产生的电磁辐射是超短超强激光与靶相互作用实验中生成的电磁脉冲(EMP)来源之一。基于有限元分析方法,对靶室腔谐振产生电磁脉冲和电磁脉冲通过窗口向外传播这两个过程进行仿真模拟。前者模拟获得空腔和含结构模型谐振时特征磁场,结果显示内部结构对电磁场强度分布和谐振频率有显著影响;后者模拟结果显示,窗口外侧电场强度比窗口内侧高约40%,而且电磁脉冲传播到靶室外后呈球面波形式扩散并衰减。对电磁脉冲的强度衰减规律进行了分析,得到该衰减曲线的拟合函数。     

系统电磁脉冲综合环境中导线响应的计算

采用时域有限差分法(FDTD)、粒子模拟(PIC)方法和Holland细线算法,对圆柱腔体内带负载导线的系统电磁脉冲(SGEMP)综合环境响应进行了模拟。计算结果表明:导线负载上的响应电流从大到小依次由透射X射线、SGEMP场和前向电子产生;透射X射线和前向电子产生的响应电流极性相反;SGEMP场在导线负载上响应电流的极性与场分布有关;3种环境在负载上的综合响应中透射X射线的响应最大。对于腔体内的导线来说,SGEMP综合环境防护时透射X射线是重点考虑的因素。     

纳秒级激光惯性约束装置靶室内电磁脉冲数值模拟

为了探索纳秒级激光惯性约束装置靶室内电磁脉冲(EMP)的物理规律,实验室利用自主研发的EMPIC-2D计算软件开展数值模拟研究。软件将激光与靶作用后产生的逃逸电子作为输入参数,将电磁脉冲强度随时间的变化作为输出。模拟结果发现,纳秒级激光打靶产生的逃逸电子激发的EMP的频率主要分布在0 MHz～2 GHz之间,随着出射波形宽度的变宽,纳秒级激光产生的EMP的高频信号成分减少,而低频成分变化较小;在靠近靶的位置,随着出射时间的延长(1～10 ns),电磁场峰值逐渐降低;与皮秒级激光的模拟结果比较发现,纳秒级激光产生的电磁场的强度较小,低频成分与皮秒级相似,而大于1 GHz的高频成分大量减少。     

线缆系统电磁脉冲效应测量系统研制和试验

分析了实验室瞬态X射线产生的系统电磁脉冲(SGEMP)效应测试所面临的技术问题,提出了解决方法、措施以及实验室模拟瞬态X射线的SGEMP模拟试验方法。通过电子屏蔽、电磁屏蔽、光电隔离、信号对称提取等特殊技术处理,解决了SGEMP效应模拟试验方法和测量系统抗X射线、抗电磁辐射等技术问题,并在大型瞬态X射线模拟源上,测出了瞬态X射线辐照时金属腔内线缆的SGEMP效应波形及幅值。     

激光打靶过程中的电磁脉冲特性

为诊断激光打靶产生的电磁脉冲信号分布,选取环天线作为主要电磁脉冲信号采集装置,对靶室内外信号同时进行测试。从天线设计制作到天线标定,描述了脉冲诊断系统的搭建。通过对信号进行采集及处理,对比分析了靶室外、法兰口及靶室内脉冲信号的频域特性和强度。得出靶室内受到电磁脉冲辐射强度最大且频谱分布最广,其次是法兰口,靶室外电磁脉冲信号最弱。总结多次激光打靶电磁脉冲信号频域分布,可看出波峰主要出现在0.5,1.2,3GHz。电磁脉冲时域结果规律性展示出脉冲持续约100ns,因靶室内回波振荡,电磁脉冲信号于几ns处及几十ns处有较明显峰值蔟。     

系统电磁脉冲一维边界层的数值模拟

应用准第一性原理的PIC程序对系统电磁脉冲(SGEMP)一维边界层进行数值模拟,研究无限大介质板发射单一能量为2 keV、发射率为3.3×1020 m-2·s-1的光电子,发射角分布为余弦角分布,且平板上留下等量正电荷时的SGEMP效应,得出稳态后电子所能到达的最大距离约在5.8~7.5 cm之间振荡;发射表面z=0处的电荷密度在(6.0~9.0)×10－6 C/m3之间振荡;表面电场值在50~55 kV/m之间振荡;边界层达到准稳态的时间约为14.0 ns。将稳态模拟结果和理论估算结果进行对比,模拟结果较理论结果更加准确、形象地反映出SGEMP一维边界层的形成过程及稳态结构。     

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.     

静放电电磁脉冲模拟装置

介绍了静电放电电磁脉冲（ESD EMP）的特性，研究了用ESD模拟器产生ESD EMP的方法，并给出了ESD EMP的时域波形和频谱。在研究ESD模拟器的基础上，首次通过ESD模拟器和GTEM室的结合，在GTEM室内产生了均匀的，重复性和线性好的ESD EMP。实验表明，用这种能够实验对静电放电电磁脉冲的实验室模拟，实验了人们用GTEM室产生ESD EMP的梦想。     

系统电磁脉冲边界层准稳态特性研究

 对黑体谱脉冲X射线入射到系统材料上发射的光电子的行为及其准稳态成立的条件进行讨论,研究了系统电磁脉冲(SGEMP)边界层中光电子参数和电场的准稳态特性,给出的公式,可以方便地获得SGEMP边界层的主要参数,如电子密度、电子分布、表面电场及其分布等。最后给出了一个计算实例。     

CMOS反相器的快上升沿强电磁脉冲损伤特性（英文）

随着电磁环境的日益复杂,保证集成电路(IC)的可靠性成为一个巨大的挑战。在此基础上,通过对CMOS反相器的仿真和实验研究,研究了快上升沿电磁脉冲(EMP)引起的陷阱辅助隧穿(TAT)效应。对此进行了详细的机理分析用于解释其物理损伤过程。EMP感应电场在氧化层中产生陷阱和泄漏电流,从而导致器件的输出退化和热失效。建立了退化和失效的理论模型,以描述输出退化及热积累对EMP特征的依赖性。温度分布函数由半导体中的热传导方程导出。基于TLP测试系统进行的相应实验证实了出现的性能退化,与机理分析一致。Sentaurus TCAD的仿真结果表明,EMP引起的损坏是由栅极氧化层中发生的TAT电流路径引起的,这也是器件的易烧坏位置。此外,还讨论了器件失效与脉冲上升沿的关系。本文的机理分析有助于加强其他半导体器件的EMP可靠性研究,可以对CMOS数字集成电路的EMP加固提出建议。     

稀薄空气、等离子体环境外系统电磁脉冲的数值模拟

为研究大气环境对系统电磁脉冲(SGEMP)的影响,针对海拔50～100 km的X射线能量沉积区,分别应用3维PIC程序及3维PIC-MCC程序各自开展预电离等离子体和稀薄空气条件下外SGEMP的建模与模拟研究,针对3种不同的X射线注量(4×10^-3 J/cm²、 4×10^-2 J/cm²、 0.4 J/cm²),分别取对应两种不同海拔高度(70 km和80～90 km)的本底等离子体及海拔56 km的稀薄空气条件进行模拟计算,并和真空中的计算结果进行对比,得出预电离等离子体及稀薄空气对外SGEMP的影响规律：当X射线注量较低时,等离子体使得磁场增大,电场减小,而稀薄空气对外SGEMP效应影响不明显;随着X射线注量增大,空间电荷非线性效应越来越明显,等离子体及稀薄空气都使得电场、磁场同时增大,且稀薄空气的增大效应更显著。     

PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-热多物理场模型,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型,研究了不同峰值功率的电磁脉冲作用下限幅器的输入/输出特性,以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明:基于器件热效应影响载流子输运过程的电-热多物理模场型,模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/输出功率的结果与实验结果吻合较好;模拟大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式,与Wunsch-Bell半经验关系式符合较好。     

二维系统电磁脉冲

本文讨论了内电磁脉冲(IEMP)和系统电磁脉冲(SGEMP)之间的关系,并给出在x射线照射条件下,二維系统电磁脉冲的数值计算结果。     

基于Marx发生器的中小型电磁脉冲模拟器驱动源

为满足不同尺寸效应物抗强电磁脉冲(EMP)性能试验的需求,产生覆盖范围更全面、波形更理想的模拟电磁环境,对基于Marx发生器的一级脉冲陡化EMP模拟器驱动源的基本构成与工作原理进行了介绍。结合实际设计与调试经验,分析了设计该类装置时可能遇到的一些问题以及解决的方案。给出了研制的电压等级在100~600 kV的中小型EMP模拟器驱动源的结构、参数与输出指标。通过紧凑型Marx发生器、低电感平板型薄膜电容器、低电感输出开关等关键部件与连接结构优化、器件参数选取,获得在驱动源接120~180 Ω负载时可输出前沿1.2~2.7 ns、半宽32~41 ns的双指数波。     

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。     

CMOS反相器的快上升沿强电磁脉冲损伤特性

随着电磁环境的日益复杂,保证集成电路（IC）的可靠性成为一个巨大的挑战。在此基础上,通过对CMOS反相器的仿真和实验研究,研究了快上升沿电磁脉冲（EMP）引起的陷阱辅助隧穿（TAT）效应。对此进行了详细的机理分析用于解释其物理损伤过程。EMP感应电场在氧化层中产生陷阱和泄漏电流,从而导致器件的输出退化和热失效。建立了退化和失效的理论模型,以描述输出退化及热积累对EMP特征的依赖性。温度分布函数由半导体中的热传导方程导出。基于TLP测试系统进行的相应实验证实了出现的性能退化,与机理分析一致。Sentaurus TCAD的仿真结果表明,EMP引起的损坏是由栅极氧化层中发生的TAT电流路径引起的,这也是器件的易烧坏位置。此外,还讨论了器件失效与脉冲上升沿的关系。本文的机理分析有助于加强其他半导体器件的EMP可靠性研究,可以对CMOS数字集成电路的EMP加固提出建议。     

用平行板天线测量有界波电磁脉冲模拟器地面场

 提出一种有界波电磁脉冲（EMP）模拟器地面场的测量方法。它具有简便、无源、不受输入电压限制、频带宽的特点。特别适用于比较复杂的电磁环境中电场的测试,可实现信号大幅度传输,能有效地提高测试系统的信噪比。     

强电磁脉冲的有效带宽、测量带宽及来自上升时间的影响

 从能量分布和测量有效性的观点出发，提出了强电磁脉冲的能量有效带宽和动态范围有效带宽的概念。针对IEC61000－4－4,MIL－STD－464,IEC61000－4－2,IEC61312－1等标准规定的核电磁脉冲(NEMP)、雷电电磁脉冲(LEMP)、静电放电电磁脉冲(ESDEMP)等强电磁脉冲，分别计算了它们的能量有效带宽和动态范围有效带宽。通过分析，得知在一定的范围内，上述强电磁脉冲上升时间的变化对两种有效带宽的影响并不明显，在此基础上，确定了它们的测量带宽。计算结果为NEMP，ESD EMP及LEMP的60 dB有效带宽分别是371，786，1 233 MHz与96 kHz；99%能量有效带宽分别是46，95，183 MHz与15 kHz；不失真测量所需的带宽分别是152，307，916 MHz和95 kHz。     

脉冲激励混响室测试区域电磁场均匀性

研究了电磁脉冲激励混响室内电磁波传播规律,通过仿真建模和实验两方面对脉冲激励混响室测试区域内电磁场均匀性进行了研究。提出了混响室时域均匀性的概念及其计算方法,并利用此方法计算了仿真和实验结果。结果表明:脉冲激励混响室内电磁环境无论在时域上还是频域上,均满足国际标准规定的均匀性要求;在一定空间内,混响室内也可以形成统计平均的脉冲场电磁环境;在混响室内进行电磁脉冲场的电磁敏感度测试是可行的。     

基于时频图像分析的核爆与雷电电磁脉冲识别

根据核爆和雷电电磁脉冲信号非平稳、非线性特点,对核爆电磁脉冲(NEMP)和雷电电磁脉冲(LEMP)信号进行了Hilbert谱分析,计算了二者Hilbert谱的图像区域特征,对二者进行了识别研究,并且从NEMP和LEMP不同的产生机理上对识别结果进行了分析。实验结果表明:以Hilbert谱的面积和重心,以及六维图像区域特征作为特征,对NEMP和LEMP的识别率达到了90％以上,可以对二者进行有效识别。