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。     

改进型磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟

 综合两种现有磁绝缘线振荡器的优点，对器件进行改进，将双渐变结构、轭流片和阻抗渐变三种增大功率的机制综合考虑，利用二维半全电磁PIC程序进行数值模拟，设计了一种新的改进型磁绝缘线振荡器，当外加电压为550kV，电流为35kA左右时，在L波段获得了6GW的峰值输出功率。     

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。     

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。     

束流发射度对太赫兹微电真空折叠波导行波管性能的影响

采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分别对140,220和345 GHz折叠波导行波管中的束流发射度的影响因素及其对直流导通率的影响进行了分析,总结了发射度随频率、结构参数和电子束参数的变化规律。研究发现,在太赫兹频段束流发射度直接决定着聚焦磁场的选取设计, 是表征太赫兹频段束流品质的一个重要参量。     

磁绝缘线振荡器内气体碰撞电离数值模拟

针对气体碰撞电离过程,介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法,利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块,将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中,模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明:当He气密度较低时,电离的正离子由于较重无法自由移动,形成了正离子通道,可以有效中和电子束空间电荷场,有利于电子束传输和群聚,提高了束波互作用效率,微波输出功率得到了明显提高,起振时间也有所缩短;当进一步增加He气密度时,电离碰撞增强,电子和离子数目会雪崩式增长,电子束由于碰撞增强而导致能散度增大,其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应,反而不利于电子束的群聚和共振,从而导致输出微波功率降低乃至截断,起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致,但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持,二极管最终将闭合。另外,还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示,同压强情况下,填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。     

Clinotron的初步理论和数值模拟

在理论分析的基础上,模拟研究了微电真空太赫兹器件Clinotron。求解了色散方程,获得该器件的基本结构参数和性能参数;在考虑空间电荷场和电子回旋运动的情况下,得出能使器件内片状束稳定传输的周期永磁聚焦的磁场条件;利用3维全电磁粒子模拟程序对Clinotron进行了初步模拟以及优化。数值模拟结果表明:当输入电压为4.5 kV、发射束流大小为190 mA、输入电功率为855 W时, 运行频率为218 GHz的Clinotron的输出平均功率40 W,功率转换效率达4.68%。     

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制北大核心CSCD

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持r-z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。     

束流预调制型同轴虚阴极振荡器的初步理论分析

利用求解格林函数的方法，对束流预调制型同轴虚阴极振荡器进行了初步理论分析。分析结果表明，相同参数入射电子束同轴虚阴极振荡器的束波转换效率正比于预调制深度的平方，提高预调制的深度可以很好地提高束波转换效率；任意的束波互作用区结构参数和入射束流分布参数，都会存在一个对应工作状态下最大束波转换效率的最佳预调制频率，合理选择预调制频率可以优化同轴虚阴极振荡器的微波输出。     

高效率磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟

 运用2维全电磁粒子模拟程序，综合硬管磁绝缘线振荡器和渐变型磁绝缘线振荡器的优点，设计了具有较易起振和较高效率L波段磁绝缘线振荡器。在普通L波段MILO的基础上,主要进行了两个方面的改进，一是将磁绝缘二极管设计为轴向，即绝缘磁场主要由阴极端面发射的电流提供，二极管间隙为2.2 cm；二是增加慢波结构叶片数目，加入渐变叶片结构，形成渐变MILO模型，叶片总数为13。并针对矩形和具有慢上升前沿的脉冲电压波形分别进行了输出腔、叶片等的优化。两种优化模型在输入电压500~600 kV时，在L波段都获得输出周期平均功率超过5 GW、效率大于20%的微波输出。并对实验中可能产生的射频击穿的问题，提出采用对扼流片尖端进行倒角处理以降低场强。模拟表明，该方法对输出功率和效率影响不大，但有效减小了击穿压力。