介质部分填充平行平板传输线微放电过程分析

本文主要研究了介质填充微波部件微放电随时间演变的过程,重点分析了介质微波部件微放电自熄灭机理.以介质部分填充平行平板传输线为研究对象,忽略空间电荷效应,采用自主研发粒子模拟软件模拟微放电过程,并将模拟结果与金属微波部件结果进行对比.结果表明,在一定功率下,金属微放电过程中电子数目呈指数形式增长,而介质微放电过程经历初始电子倍增后发生自熄灭现象,同时发现在电子数目即将下降为0时,介质表面的平均二次电子发射系数大于1或约等于1.另外,在上述模拟结果的基础上对微放电过程中介质表面积累电荷问题进一步分析,模拟结果表明,如果持续向微波部件内注入电子,介质表面的平均二次电子发射系数最终都约等于1.所得结论对研究复杂介质填充微波部件微放电的机理具有一定的理论指导价值.     

大气压直流正电晕放电暂态空间电荷分布仿真研究

本文提出了流体一化学动理学二维正电晕放电混合模型,该模型包含12种粒子间的27种化学反应,并且考虑光电离的影响．此外,在实验室内对该模型开展试验验证,单次脉冲波形及伏安特性曲线符合较好．基于上述模型,本文研究了在外施电压3kV时棒一板电极正电晕放电过程中的电场分布、电子温度分布、空间电荷分布的发展规律,并对电晕放电过程中粒子的成分进行了详细分析,讨论了电子、正负离子、中性粒子在放电过程中的生成规律及对电晕放电的影响．结果表明：在整个电晕放电过程中,电子温度分布和电场强度分布曲线相似,电子密度维持在10^19m-3左右,只发现带正电的等离子体特征．O4＋密度是放电过程中数量最多的正离子,O2＋和N2＋在二次电子发射过程中具有重要作用,O2-离子和O分别是负离子和中性粒子中数量最多的粒子,由于负离子和中性粒子在电晕放电过程中数量较小,因而起的作用相对较小．     

声脉冲法空间电荷测量系统的研究

气体中空间电荷的分布与电晕放电的机理紧密相关, 获取电晕放电过程中空间电荷分布对深入研究电晕放电起始、自持过程有着重要作用, 但是如何准确获得电晕放电过程中的空间电荷分布一直是国际上尚未解决的难题. 本文基于声脉冲法提出一种电场信号解耦算法, 推导了空间电荷在声场中被调制产生的电场信号与声脉冲信号和空间电荷密度之间的数值关系, 讨论了不同测量情况下声发射系统的设计要求; 搭建了一套可用于实时测量针板电极电晕放电空间电荷分布的非接触式测量系统, 该系统主要包括声脉冲发生模块、空间电荷模块及电场信号解耦算法模块. 运用该系统实现了声脉冲激发作用下电场信号的测量, 通过提出的电场信号解耦算法得到了空间电荷密度, 对其测量结果与电晕电流法测量结果进行比较, 验证了电场信号解耦算法的有效性. 该算法可以应用于空间电荷一维、二维和三维测量系统中.     

基于频域电磁场的微波器件微放电阈值快速粒子模拟

提出了一种利用频域电磁场快速计算微波器件微放电阈值的粒子模拟方法.首先通过CST微波工作室频域求解器获得微波器件中频域电磁场分布,在微放电过程模拟时将其转换到时域,再采用Boris算法求解电磁场中的电子运动,然后判断电子是否与三角面片边界相交,进行二次电子发射处理.变化输入功率,经过系列粒子模拟后,根据电子数目随时间的变化曲线确定微放电阈值.采用该方法分别对平行平板和同轴传输线微波器件的微放电阈值进行模拟计算,并与CST粒子工作室的模拟结果进行对比.结果表明,两者获得的阈值基本一致,但本方法的计算效率提高了1—2个数量级.     

不同氩气气压下铝丝电爆炸的二次放电特性

搭建了RLC放电回路,研究了不同氩气气压下铝丝电爆炸二次放电特性。结果表明,随着气压的变化,电爆炸二次放电电压曲线呈U形。为了阐明氩气和铝蒸气在二次放电过程中的作用,利用光谱仪和高速分幅相机分别研究了二次放电等离子体的自辐射光谱特性和空间分布特性,发现:在低气压下氩气会参与放电,放电通道在铝蒸气表面;高气压下主要是铝蒸气放电,氩气基本不参与放电过程,放电通道在铝蒸气内部。     

赝火花开关放电的蒙特卡罗粒子模拟

采用粒子模拟和蒙特卡罗相结合的方法,应用静电求解模型,对赝火花开关初始放电过程进行了模拟。赝火花开关初始放电过程主要由汤森放电过程、等离子体形成、空心阴极效应和场致发射引发主放电组成;等离子体形成和空心阴极效应对赝火花开关的发展导通具有至关重要的作用。改变赝火花开关工作参数,如气压、电极孔径、阳极电压和阴极腔中初始粒子密度,研究其对赝火花开关电子峰值电流形成时间的影响。结果表明:随着气压、电极孔径、阳极电压和初始粒子密度的增大,赝火花开关电子峰值电流形成时间减小。     

低气压条件下氢气潘宁放电的模拟分析

为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义. 关键词： 潘宁放电 氢气 粒子模拟 蒙特卡罗     

气压对微束射频容性放电模式调制的研究

微束射频容性放电在纳米晶体颗粒等离子体增强气相合成有着潜在的应用前景.本论文利用ICCD、单反相机、高压探头和电流探头等对微束射频容性放电特性进行了实验诊断研究.结果发现:在纯氩气微束射频放电中,随着气压的增加,放电从辉光放电模式向多通道丝状放电模式转换;在99%氩/1%氢混合气体微束射频放电中,丝状放电模式消失,而是从低气压全空间分布的辉光放电模式,到中等气压向轴心收缩的辉光放电模式,最后到高气压的“环状”辉光放电模式;而在纯氢气微束射频放电中,随着气压的增加,放电模式直接从全空间分布的辉光放电模式向“环状”辉光放电模式转换.最后通过射频电场中电子加热、趋肤效应和气体热传导的共同作用解释了产生不同放电模式的物理机制.     

针-板DBD微流注与微辉光交替生成的机理研究

在介质阻挡放电体系中产生辉光放电可以有效的提高放电体系产生高能电子的性能, 为等离子体化学反应提供更加丰富的活性粒子.本文对针-板介质阻挡放电体系下的放电模式进行了研究,实验发现放电正负半周期表现出不同的放电模式, 激励电压为3 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和电晕放电(或者Trichel脉冲放电),激励电压为6 kV时放电正负半周期分别为微流注放电和微辉光放电.微辉光放电形貌具有与典型辉光放电相同的分层次放电结构, 分析了激励电压6 kV时的放电过程,认为足够强的阴极电场强度和裸露针状电极形成的有效的二次电子发射过程是形成微辉光放电的主要因素,绝缘介质层的存在避免了微辉光放电向弧光放电过渡.     

磁控溅射辉光放电特性的模拟研究

采用二维、自洽的PIC/MCC (particle-in-cell with Monte Carlo collision) 方法,模拟了磁控溅射辉光放电过程, 重点讨论了工作参数对放电模式和放电电流的影响. 模拟结果表明, 当工作气压由小到大或空间磁场从强到弱变化时, 放电模式会从阴极空间电荷主导的放电模式过渡到阳极空间电荷主导 的放电模式.在过渡状态,对应的工作气压与磁通密度分别为0.67 Pa和0.05 T; 随着工作气压的增大,放电电流先增大后趋向平衡,当工作气压超过2.5 Pa时,电流开始随工作气压的增大而减小; 而阴极电压增大时,放电电流近似线性增加.     

多载波微放电阈值的粒子模拟及分析

多载波微放电阈值的准确分析对于空间大功率微波系统的长期可靠性至关重要.近年来,一种源于多载波包络周期间少量剩余电子累积的"长周期"微放电机制引发广泛关注.国内外研究者普遍认为,相对源于单个周期内电子累积的"周期内"微放电,"长周期"微放电应该被优先激发、具有更低的阈值.但依据长周期微放电判据分析所得的阈值显著高于实验结果.针对这一问题,本文采用与实验系统可比拟的微放电判据,在相同多载波信号激励、相同微波部件条件下,对微放电的演化过程进行了粒子模拟,分析了多载波微放电、特别是周期内微放电的行为特性和发生条件,有效地解释了实验结果.本文的粒子模拟结果表明,给定微波部件被优先激发的多载波微放电类型取决于载波频率的配置,长周期微放电并非一定被优先激发,这是导致基于长周期微放电判据分析所得阈值显著高于实验结果这一问题的原因所在.以上结论对于空间大功率微波部件的多载波微放电全局阈值评估和抑制设计具有指导意义.     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

Multipactor Breakdown Prediction in a Rectangular Waveguide: Statistical Theory and Simulation Results

Statistical theory of the initial study of the multipactor discharge in a rectangular waveguide is constructed. The recurrent relation between the emission phase and position distributions is derived taking into account the velocity spread of secondary electrons. A general integral equation allowing prediction of the threshold value of the secondary yield (above which electron multipaction occurs) is formulated. It has been found that the presence of directional anisotropy can significantly alter the multipacting discharge cutoff conditions in comparison with isotropic emission. It has been established that the combined action of tangential velocity components and magnetic field leads to an increase of the threshold of multipactor growth. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

介质面刻槽抑制二次电子倍增蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法,针对介质表面刻槽抑制二次电子倍增的实验现象,进行了数值模拟研究。给出了二次电子倍增动力学方程、刻槽边界条件、二次电子初始能量与角度分布以及发射率分布关系;讨论了槽深、槽宽对二次电子倍增的抑制效果,以及同一刻槽结构对不同微波场强度和频率的二次电子倍增抑制能力;分析了双边二次电子倍增区域。数值研究结果表明:增加槽深、缩短槽宽可以抑制二次电子倍增;同一刻槽结构,更易于抑制高频场、场强较低或较高下的二次电子倍增;刻槽尺寸的选择还应避开双边二次电子倍增区间。将数值模拟结果与相关实验现象进行了对比,吻合得较好。     

磁绝缘传输线振荡器中的次级电子倍增现象

根据磁绝缘传输线振荡器(MILO)的结构特点，建立了一个单边次级电子倍增(multipactor)模型，通过对敏感曲线、相位聚焦的计算，分析了MILO中发生multipactor的物理图象.结果表明：从聚焦区域大小看，单边发生multipactor 比双边要严重.在MILO中发生的multipactor都属于单边模式，并且有出现电子掠入射金属表面的大量机会，因此它发生multipactor比O型器件严重. 关键词： 磁绝缘传输线振荡器 次级电子倍增效应 脉冲缩短     

Development of a multipactor discharge in the output channel of a powerful pulsed gyroklystron

Reasons for microwave discharge initiation in the vacuum section of the output waveguide of a powerful gyroklystron are discussed. It is found that the discharge is located near the range of an electron cyclotron resonance. A one-sided multipactor discharge is numerically simulated in wide ranges of tilt angles and permanent magnetic fields. It is shown that the cyclotron resonance may considerably lower the multipactor discharge threshold in contrast to earlier concepts.     

双面次级电子倍增效应向单面次级电子倍增效应发展规律的研究

次级电子倍增效应引起的输出窗失效问题往往给微波器件造成灾难性的影响, 是限制微波器件功率进一步提升的瓶颈. 以S波段高功率盒形窗为研究对象, 针对盒形窗内无氧铜金属边界与陶瓷介质窗片相对的区域, 建立了研究法向电场作用下次级电子倍增效应的Monte-Carlo模型. 通过拟合这两种材料间双面次级电子倍增以及单面次级电子倍增效应的敏感曲线, 对次级电子倍增发展特点进行详细分析, 获得了金属与介质之间的次级电子由双面倍增向单面倍增演变的规律.     

多载波微放电中二次电子横向扩散的概率分析

长周期多载波微放电是近年来新发现的、主要发生在宽带、大功率真空微波部件中的二次电子倍增放电现象. 与发生在单个载波周期中的多载波微放电相比, 长周期多载波微放电来源于多个载波周期间的二次电子累积, 具有相对较低的放电阈值和不可预测性, 对空间和加速器应用中宽带大功率微波部件的长期可靠性带来了新的隐患. 为解决长周期多载波微放电阈值分析中非均匀场激励下二次电子累积的理论计算问题, 本文采用概率方法, 通过引入随机漫步和Branching Levy漫步模型, 对微放电过程中二次电子横向扩散所需遵循的概率模型进行了严格的推导, 并采用所得的概率密度函数, 给出了主模为TE₁₀模的矩形波导中多载波激励下二次电子积累过程的纯理论计算. 与相同条件下采用粒子仿真所得的结果对比, 本文给出的计算结果与仿真结果相符合, 同时计算耗时减少了接近一个数量级. 本文报道的二次电子横向扩散的概率描述可广泛应用于高功率真空电子和电磁器件领域. 关键词： 多载波微放电 二次电子 随机漫步 概率密度     

二次电子倍增对射频平板腔建场过程的影响

建立了射频平板腔动态建场等效电路以及腔体双边二次电子倍增的混合物理模型,利用自主编制的1D3V-PIC二次电子倍增程序和射频平板腔动态建场全电路程序,研究分析了不同腔体Q值情况下二次电子倍增对射频平板腔动态建场过程的影响.数值模拟表明：射频平板腔建场过程中不存在二次电子倍增的情况下,腔体Q值越高,建场时间越长,注入能量等于腔体储能和腔体耗能,建场前期腔体储能速度快于耗能速度,建场后期腔体耗能速度快于储能速度,建场成功后平均腔体消耗功率与平均注入功率相等.射频平板腔建场过程中存在二次电子倍增情况下,腔体Q值越高,进入二次电子倍增的时刻越晚,二次电子倍增作用时间越长;二次电子发射面积越大,二次电子电流峰值越高.二次电子倍增的持续加载,最终会导致射频平板腔建场过程的失败;腔体Q值越高或二次电子发射面积越大,射频平板腔建场成功的概率越低.相关模拟结果可为工程设计提供一定的参考.