时变等离子体高功率微波频率上转换的粒子模拟

基于电磁波与时变介质相互作用能够实现电磁波频率上转换的原理,通过粒子模拟(PIC)方法对电磁波与时变等离子体薄层相互作用进行模拟,实现了频率由2.45 GHz提升至130 GHz,功率转化效率约为0.39%。探究了等离子体参数(包括等离子体密度、有限的等离子体上升时间以及等离子体薄层厚度)对频率上转换的影响。模拟结果验证了等离子体密度决定上转换频率,与理论结果相符。模拟结果表明,等离子体薄层厚度越大,得到的上转换波的能量越大;等离子体的上升时间越小,上转换波的转换效率和频谱纯度越高。采用等离子体密度21020 cm-3,等离子体厚度1 cm,等离子体上升时间0.04 ns 可以得到可观的130 GHz上转换波输出。     

等离子体中电磁波的粒子模拟

本文介绍了1 2/2维相对论性、电磁模等离子体粒子模拟的方法和原理。系统地以计算机模拟了由电子气体组成的等离子体中的各种电磁波。在无外加静磁场、加外横磁场、加外纵向磁场等不同情况下,分别得到静电波、电磁波、寻常波、非寻常波、ω=nω_c的磁回旋共振、左旋波、右旋波等。其色散关系、截止频率、共振频率、极限相速度均与理论结果一致。     

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。     

充空气的同轴慢波结构高功率微波器件粒子模拟

粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化。模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低。等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小。在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用。气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短。此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变。最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%。     

充空气的同轴慢波结构高功率微波器件粒子模拟

 粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化。模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低。等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小。在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用。气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短。此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变。最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%。     

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。     

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。     

虚阴极振荡产生高功率微波的粒子模拟

独立研制了一个柱对称、非周期边界12/2维相对论性电磁模粒子模拟程序。用它研究了强相对论电子束射入一端封闭、一端开口的波导管所产生的虚阴极振荡和激发的高功率微波。得到了清晰、合理的物理图象,虚阴极振荡频率符合(1～2π~(1/2)ω_(peb)的经验规律。激发微波的效率可高达10％。此外,通过模拟计算,研究了辐射频率、辐射效率与外加导引磁场、电子束流强度、电子束能量和电子束半径的依赖关系。得到了一些合理而有价值的规律。     

释气对介质沿面闪络击穿影响的粒子模拟

为研究释气下的高功率微波介质沿面闪络击穿物理机制,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、次级电子发射、蒙特卡罗碰撞模型以及碰撞退吸附气体分子模型;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别研究了弱退吸附、强退吸附以及释气分子运动速率对沿面闪络击穿的影响.研究结果表明:介质沿面闪络击穿本质是沉积功率的持续增加.弱退吸附下,次级电子倍增占优,随着退吸附系数的增加,碰撞电离效应对次级电子倍增有促进作用,主要表现为介质窗表面静电场、表面碰撞电子平均能量以及表面碰撞电子数目的增加,此处的表面碰撞电子主要是次级电子倍增形成的;释气分子运动速率高导致介质面附近气压下降,不利于次级电子与气体分子间碰撞电离过程形成.强退吸附下,气体碰撞电离效应占优,随着退吸附系数的增加,离子数增加速度表现为电离频率增加的指数增长形式,碰撞电离效应对次级电子倍增有抑制作用,主要表现为介质窗表面静电场为负、表面碰撞电子平均能量的降低,但是表面碰撞电子数目却得以增加,此处的表面碰撞电子主要是贴近介质面的气体碰撞电离形成的;释气分子运动速率高导致气体厚度增加,扩大了气体碰撞电离作用区域,有利于气体碰撞电离.     

Particle-in-cell simulation for experimental ion acceleration by fs laser-generated plasma

ABSTRACT

Particle in cell simulation was applied to fit the measurements of protons and ions acceleration obtained using an fs laser pulse irradiating a thin foil in target-normal-sheath-acceleration regime. The simulation code calculates the maximum electrical field generated in the rear side of the target driving the forward ions acceleration. The electron density versus time and space, and the plasma temperatures are evaluated using a medium contrast laser at an intensity of about 10¹⁹?Wcm^?2. Proton acceleration above 10?MeV was experimentally measured using SiC detectors connected in time-of-flight configuration. A comparison between theoretical aspects and experimental data is reported and discussed.     

Particle-in-cell simulation of ion-acoustic solitary waves in a bounded plasma

We study some nonlinear waves in a viscous plasma which is confined in a finite cylinder.By averaging the physical quantities on the radial direction in some cases,we reduce this system to a simple one-dimensional model.It seems that the effects of the bounded geometry(the radius of the cylinder in this case)can be included in the damping coefficient.We notice that the amplitudes of both Korteweg–de Vries(KdV)solitary waves and dark envelope solitary waves decrease exponentially as time increases from the particle-in-cell(PIC)simulation.The dependence of damping coefficient on the cylinder radius and the viscosity coefficient is also obtained numerically and analytically.Both are in good agreement.By using a definition,we give a condition whether a solitary wave exists in a bounded plasma.Moreover,some of potential applications in laboratory experiments are suggested.     

X波段新型低阻抗高功率微波源的模拟研究

提出了一种新型低阻抗高功率微波源,能在单个器件内产生两束锁相的相干高功率微波,对两束相干微波进行功率合成有望在单个高功率微波器件中实现更高的功率输出.粒子模拟结果显示,在电压687 k V、磁场0.8 T时,该微波源整体阻抗36?,两束微波的频率都为9.72 GHz,输出功率分别为1.20 GW和2.58 GW,功率效率分别为28%和30%;两束输出微波之间频率抖动小于±3 MHz,相位差抖动小于±3?.     

高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.     

圆柱形阳极层霍尔等离子体加速器的质点网格方法模拟

对圆柱形阳极层霍尔加速器内的放电等离子体运用二维质点网格方法（particle in cell）进行数值模拟,用蒙特卡罗碰撞方法处理带电粒子与中性粒子之间的碰撞. 得到了放电通道内离子与电子的分布以及离子流的运动,并且对出口外侧的能量分布进行了统计. 结果发现圆柱形阳极层等离子体加速器的磁场对电子有明显的约束作用,电子集中于阳极附近很小的区域内. 由于电磁场的特殊分布,离子流呈现出双峰式的分布. 离子能量范围从放电电压的20%到接近放电电压,平均能量在放电电压的40%—50%之间. 关键词： 质点网格方法 蒙特卡罗碰撞 数值模拟 阳极层霍尔等离子体加速器     

Three-dimensional simulation method of multipactor in microwave components for high-power space application

Based on the particle-in-cell technology and the secondary electron emission theory, a three-dimensional simulation method for multipactor is presented in this paper. By combining the finite difference time domain method and the panicle tracing method, such an algorithm is self-consistent and accurate since the interaction between electromagnetic fields and particles is properly modeled. In the time domain aspect, the generation of multipactor can be easily visualized, which makes it possible to gain a deeper insight into the physical mechanism of this effect. In addition to the classic secondary electron emission model, the measured practical secondary electron yield is used, which increases the accuracy of the algorithm. In order to validate the method, the impedance transformer and ridge waveguide filter are studied. By analyzing the evolution of the secondaries obtained by our method, multipactor thresholds of these components are estimated, which show good agreement with the experimental results. Furthermore, the most sensitive positions where multipactor occurs are determined from the phase focusing phenomenon, which is very meaningful for multipactor analysis and design.