高功率微波输出窗内侧击穿动力学的PIC/MCC模拟研究

高功率微波在受控热核聚变加热、微波高梯度加速器、高功率雷达、定向能武器、超级干扰机及冲击雷达等方面有着重要的应用.本文针对高功率微波输出窗内侧氩气放电击穿过程,建立了二次电子倍增和气体电离的一维空间分布、三维速度分布（1D3V）模型,并开发了相应的PIC/MC程序代码.研究了气压、微波频率、微波振幅对放电击穿的影响.结果表明：在真空情况下,介质窗放电击穿只存在二次电子倍增过程;在低气压和稍高气压时,二次电子倍增和气体电离共存;在极高气压时,气体电离占主导.给出了不同气压下电子、离子的密度和静电场的空间分布.此外还观察到,在500 mTorr时,随着微波振幅或微波频率的变化,气体电离出现的时刻和电离产生的等离子体峰值位置有较大差异,尤其是当微波频率（GHz）在数值上是微波振幅（MV/m）的2倍时,气体电离出现的较早.     

放电参数对爆燃模式下同轴枪强流脉冲放电等离子体的影响

同轴枪强流脉冲放电常见有爆燃模式和预填充模式两种放电模式,爆燃模式放电可以得到杂质少、准直性高、输运速度更快的等离子体射流.本实验主要对不同电压及进气量下同轴枪强流脉冲爆燃模式放电的等离子体特性进行了研究.结果表明,在相同放电电压下,进气量少时会有多团等离子体从枪口喷出.随着进气量的增加,同轴枪放电产生的等离子体密度增加,输运速度减小,最终等离子体只有一团从枪口喷出;而在相同进气量下,随着电压的增加,等离子体密度增加,输运速度增大,开始出现有多团等离子体从枪口喷出的现象.产生该现象的原因主要是在放电过程中,当气体持续进入枪底部时,同轴枪底部会产生新的电流通道向前运动,使得在同轴枪出口处观察到了多团等离子体喷出的现象;随着放电电压的增加,在放电过程中回路电流也增加.当电流增加到一定程度时,同轴枪底部就会产生新的电流通道,从而有多个等离子体团从枪口喷出.通过改变充电电容以及对磁探针信号的分析,进一步分析并验证了同轴枪底端多次放电的现象.     

高速时空分辨光谱仪的构建及其在水中纳秒脉冲火花放电光谱诊断中的应用

近年来对水中高压脉冲放电等离子体特性的诊断研究越来越受到重视。测量单个放电脉冲放电等离子体的时间-空间分辨发射光谱,有助于研究水中脉冲放电等离子体的时空演化动力学特性和规律。在本研究中将四分幅超高速相机和单色仪结合,构建了一种跟踪单个放电脉冲的高速时空分辨光谱仪,开发了相应的光谱分析软件。用波长632.8 nm的He-Ne激光器,在1 200 g·mm-1刻线光栅条件下对光谱仪的性能进行了测试。结果表明：对应He-Ne氦氖激光632.8 nm谱线的像素分辨率为0.013 nm。在曝光时间20 ns时,单色仪狭缝宽度0.2 mm时632.8 nm谱线的仪器展宽为(0.150±0.009)nm,仪器展宽随着狭缝宽度的增加呈现增大趋势。曝光时间的变化不会引起仪器展宽的变化,能够确保在调节相机曝光时间的过程中不影响光谱仪性能。利用该高速分辨光谱仪对水中纳秒火花放电发射光谱进行了测量,单次曝光获得了单一脉冲放电等离子体时空演化光谱。今后进一步完善实验室的电路条件消除放电干扰,可以对单个放电脉冲进行更细致的测量,为研究单个放电脉冲等离子体参数的时空演化特性提供良好的技术手段。     

少量氧气对大气压氩氧混合气体放电特性的影响

基于一维流体模型,采用数值模拟的方法研究了大气压氩氧混合气体放电中少量氧气含量对放电特性的影响。根据模型方程进行了数值模拟分析,计算结果表明：随着氧气含量由0.1%增加到0.6%,电子密度减小,O^-离子密度增加,总的负粒子密度增加,鞘层区电子温度增加。随着放电时间的增加,O^-离子密度增加,电子密度的变化分为三个阶段：电子密度快速增长阶段、电子密度下降阶段和电子密度稳定阶段。当氧气含量小于1%时,电子密度随着氧气含量的增加迅速减小,氧原子密度快速增加;氧气含量大于1%小于4%时,电子密度随氧气含量的增加而缓慢减少,氧原子密度缓慢增加直至不变。     

二极管激光吸收光谱法对低气压介质阻挡放电等离子体中氩的亚稳态的诊断

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术对低气压氩气介质阻挡放电等离子体进行诊断,重点考察了Ar亚稳态1s₅和1s₃的数密度和气体温度随放电电压,气压,流量,极板间距,以及随N₂配比的变化情况。实验基于朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,通过计算吸收谱线的吸收峰面积求取Ar亚稳态的数密度,同时对谱线进行Voigt拟合得到多普勒展宽,进而求出气体温度。Ar亚稳态主要由电子碰撞产生,但同时电子也会碰撞亚稳态发生猝灭作用,从而使数密度减少;气体温度则与等离子体的实际功率、电子的状态以及粒子之间的碰撞有关。实验结果表明在本实验条件范围内,Ar亚稳态数密度和气体温度随放电电压和流量的增大都先增大,之后逐渐趋于平缓,但两者随流量的变化幅度都较之随放电电压的小,增长较缓慢。随气压的升高,Ar亚稳态数密度和气体温度先增加并达到一个极大值,而之后逐渐降低。实验数据表明,气压对谱线展宽有较明显的影响作用。适当增大极板间距,Ar亚稳态数密度明显降低,但气体温度却有所升高。N₂的加入对亚稳态有很强的猝灭作用,0.5%的N₂就会使数密度下降50%,但随着N₂浓度的进一步增大,其数密度不再明显降低。     

Mg-Al系工业合金牌号的成分式解析

Mg-Al系牌号是应用最广的镁基工业合金,但其牌号背后的成分根源一直未知,构成研发新合金的主要障碍.本文应用描述固溶体短程序结构特征的团簇共振模型,得到了Mg-Al二元固溶体的最理想化学结构单元[Al-Mg_(12)]Mg_1,然后对《the American Society for Testing Materials》手册中所有Mg-Al系工业合金牌号进行成分解析,得到相应团簇成分式,如AZ63A合金解析后的团簇成分式为[Al_(0.78)Zn_(0.16)-Mg_(12)]Mg_(1.04)Mn_(0.02),AZ81A合金解析后的团簇成分式为[Al_(0.97)Zn_(0.03)-Mg_(12)]Mg_(0.98)Mn_(0.02).再根据成分式与化学结构单元之间的误差,对比该牌号合金的力学性能,验证了该化学结构单元在Mg-Al体系中的准确性,揭示出看似复杂的工业合金牌号后面隐藏的简单成分规律,为发展Mg-Al体系合金指出了一个全新的途径.     

带有射频偏压源的感性耦合Ar/O2/Cl2等离子体放电的混合模拟研究

在刻蚀工艺中,通常会在感性耦合等离子体源的下极板上施加偏压源,以实现对离子能量和离子通量的独立调控.本文采用整体模型双向耦合一维流体鞘层模型,在Ar/O₂/Cl₂放电中,研究了偏压幅值和频率对等离子体特性及离子能量角度分布的影响.研究结果表明:当偏压频率为2.26 MHz时,随着偏压的增加,除了Cl^-离子和ClO⁺离子的密度先增加后降低最后再增加外,其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先增加后基本保持不变最后再增加.当偏压频率为13.56和27.12 MHz时,除了Cl^-离子和Cl₂⁺离子外,其余粒子密度随偏压的演化趋势与低频结果相似.随着偏压频率的提高,在低偏压范围内(<200 V),由于偏压源对等离子体加热显著增加,导致了带电粒子、O原子和Cl原子的密度增加;而在高偏压范围内(>300 V),由于偏压源对等离子体加热先减弱后增强,导致除了Cl₂⁺离子和Cl^-     

GO/TiO2-g-C3N4纳米复合材料的制备及可见光催化性能

以水热法制备的20% g-C₃N₄/TiO₂（20%为质量分数）为基,将其与不同质量分数的氧化石墨烯（GO）复合制备出可见光催化性能优良的GO/TiO₂-g-C₃N₄三元复合材料。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、光致荧光光谱（PL）、瞬态光电流响应等分析测试手段对样品的结构、形貌和光电性能进行表征。研究了不同质量分数GO的加入对GO/TiO₂-g-C₃N₄在可见光下降解亚甲基蓝（MB）溶液的影响。结果表明： g-C₃N₄/TiO₂与GO复合后,锐钛矿相TiO₂颗粒形成小团簇附着在g-C₃N₄和GO片层表面,且当GO含量为15%时,TiO₂形成的团簇最小,对可见光的吸收最多且光生电子-空穴对的复合率最低。可见光照射下,15% GO/TiO₂-g-C₃N₄复合材料对MB的降解率在3 h内可达98.4%,且其降解速率常数（0.022 4 min^-1）分别是纯TiO₂（0.001 5 min^-1）和g-C₃N₄/TiO₂（0.002 5 min^-1）的15倍和9倍。     

磁子转矩翻转磁矩研究

磁子是自旋波量子化的准粒子。磁子具有在绝缘磁性材料中无热耗散、低阻尼、长距离传输自旋的优势,避免了因电荷流动而产生焦耳热,可以克服日益显著的器件发热问题,因此磁子器件在低功耗信息存储与计算领域具有潜在应用前景。文章首先介绍了自旋波和磁子的概念,磁子具有的优势和研究价值;然后总结了磁子在铁磁和反铁磁绝缘体中输运以及新型磁子器件方面的最新研究结果;最后详细介绍了室温下实现磁子转矩驱动磁矩翻转的最新研究工作。这些工作对发展磁子学,实现低功耗、高速磁子型器件及应用具有较为重要的现实意义。     

烷烃客体分子(CnHm, n≤6, m≤14)在51262和51264水笼中的稳定性与拉曼光谱的密度泛函理论计算

可燃冰矿藏中气体成分非常复杂,通过谱学分析对水合物样品成分进行指认具有重要意义.基于B97-D/6-311++G（2d,2p）的密度泛函理论（DFT）计算,我们系统地探索了构成水合物的两种标准水笼（5¹²6²和5¹²6⁴）包络十八种不同烷烃客体分子的稳定性. 从计算结果可以看出,除了3-甲基戊烷和2,3-二甲基丁烷两个烷烃客体分子,其它16个烷烃客体分子都可以被容纳在5¹²6²笼中;但是与5¹²6²笼不同,十八种烷烃客体分子都可以被容纳在尺寸较大的5¹²6⁴笼中. 同时,我们也模拟了五种直链烷烃和四种环状烷烃在5¹²6²和5¹²6⁴笼中相应的谱学特征,从拉曼谱图上可以看出,随着碳原子数量的增多,直链烷烃客体分子C―H键伸缩振动区的多数拉曼谱带向高波数移动,而环状烷烃客体分子C―H键伸缩振动区的拉曼谱带则向低波数移动. 这些结果为实验上通过拉曼谱测量指认水合物矿藏的成分提供理论参考.