变像管相机中空间电荷效应的统计动力学分析

从Boltzmann积分微分方程出发推出了保守势场中电子数密度按势能的分布规律,即Boltzmann统计分布。以此为基础,从统计动力学的角度详细分析了变像管相机中超短电子脉冲内部的空间电荷效应,通过求解Poisson方程得出了表征空间电荷效应的两个特征参量:空间电荷密度分布函数和速度分布函数,并对其按电位的动态变化规律进行了定性讨论。结果表明,限制变像管中的低电位区域和其中光电子脉冲从高电位向低电位传输的区域都将有助于优化整个变像管的性能。同时也重新讨论了光电阴极附近强加速场对光电子脉冲时间弥散的抑制作用,最终确定了其物理机制为不等位区间中电子脉冲空间分布的高度集中性。     

变像管相机中空间电荷效应的统计动力学分析

 从Boltzmann积分微分方程出发推出了保守势场中电子数密度按势能的分布规律,即Boltzmann统计分布。以此为基础,从统计动力学的角度详细分析了变像管相机中超短电子脉冲内部的空间电荷效应,通过求解Poisson方程得出了表征空间电荷效应的两个特征参量：空间电荷密度分布函数和速度分布函数,并对其按电位的动态变化规律进行了定性讨论。结果表明,限制变像管中的低电位区域和其中光电子脉冲从高电位向低电位传输的区域都将有助于优化整个变像管的性能。同时也重新讨论了光电阴极附近强加速场对光电子脉冲时间弥散的抑制作用,最终确定了其物理机制为不等位区间中电子脉冲空间分布的高度集中性。     

基于脉冲展宽波形的光脉冲位置调制异步采样信号的数据恢复技术

提出了一种基于脉冲展宽波形的插值与脉冲展宽效应补偿合并的数据恢复方案。该方案依据权系数同时实现了插值与脉冲展宽效应补偿,解决了时隙抽样误差和抖动问题,完成了脉冲位置调制时隙信号的数据恢复。仿真结果表明,所提出的方案具有较好的稳健性,可有效抑制时隙抽样误差和抖动。在译码时使用的抖动参数与实际抖动参数不匹配的条件下,该方案的性能仍优于将插值与脉冲展宽效应补偿分离处理的方案。该方案将插值与脉冲展宽效应补偿合并在一起,运算更简化。     

空间电荷效应对X射线条纹相机动态范围影响的研究

在惯性约束聚变中,X射线条纹相机是一种诊断图像时空分辨的重要设备,其动态范围反映了条纹相机有效测量入射X射线强度的能力.由于空间电荷效应的存在,电子脉冲在运动过程中会不断展宽,从而限制了条纹相机的动态范围.本文采用一维流体力学模型,利用电子数守恒、动量守恒和Poisson方程等来对电子脉冲的展宽进行推导,最终得到了电子脉冲的密度分布随时间空间的变化情况,从而为条纹相机动态范围的评估提供了依据.     

静电加速管中强流空间电荷效应的研究

 对一种工业用大功率电子加速器(450kW)的加速管中的空间电荷效应作了5点假设，建立了物理模型。对模型的束内外径向电位分布、空间电荷对轴上电位的影响，以及空间电荷力对束流传输的影响等进行了理论分析，得到了束内径向电位分布。结果表明：束流内部径向电位沿径向均呈抛物线变化，并在轴上达到最小值；而空间电荷产生的束内电场与半径呈线性变化；空间电荷不仅会引起轴上电位的跌落，而且对束流有发散作用，特别是在电子速度较低时更为明显。在考虑了空间电荷效应后，强流静电加速管的电场设计关键在加速管的前端，与弱流加速管相比，强流加速管的电场变化要大得多。     

微脉冲电子枪的动力学研究

 利用SEEG程序模拟计算了微脉冲电子枪束流动力学问题。在不考虑空间电荷效应的情况下，模拟了在微脉冲电子枪中电子纵向聚束的过程。进而详细研究了在空间电荷效应作用及相聚过程共同作用下形成饱和电流的过程。在此基础上，给出了经过优化后的微脉冲电子枪腔型特性,使用SEEG程序对该枪进行束流动力学模拟计算。最后给出一个实验用微脉冲电子枪的物理设计。     

基于光电子脉冲展宽的高时间分辨成像技术

为获取超快光脉冲信号,提出了一种基于光电子脉冲准线性展宽的高时间分辨二维成像技术。利用高频时变电场的线性工作区加速光电子脉冲信号,通过优化阴极激励源的电参数,选择光电子进入加速区的时刻实现光电子脉冲的准线性展宽。利用曝光时间100ps的门控选通微通道板在脉冲展宽模块的记录面进行选通曝光成像,实现高时间分辨的二维成像。为改善系统的空间分辨和成像畸变,添加轴向聚焦磁场解决电子漂移区中由电子空间电荷效应引起的时间和空间弥散,对于能量4 keV、出射角0.1°的电子束,聚焦磁场的最佳强度为0.057 T,此时阴极中心位置的空间分辨可达5 1p/mm,阴极边缘位置空间分辨稍差。基于光电子脉冲准线性展宽技术,可将漂移距离50 cm,初始脉宽10 ps的电子脉冲展宽10倍,从而可将门控MCP探测器的时间分辨提高1个量级(即10 ps以内)。     

充气型放电毛细管的密度测量及磁流体模拟

在激光尾波场电子加速机理中,为了有效地加速电子,需要抑制衍射散焦等造成的激光传输不稳定性问题. 激光脉冲的稳定传输不仅有利于能量耦合给等离子体波,而且对电子束的注入及稳定加速有着重要影响,具有一定横向密度分布的充气型放电毛细管可以有效引导激光脉冲的传输. 利用等离子体的Stark展宽效应对毛细管产生的等离子体进行密度测量,给出了等离子体密度与充气压强之间的关系. 利用磁流体程序CRMHA对毛细管的放电特性进行了模拟,研究了毛细管引导效应的形成机理. 关键词： 充气型放电毛细管 Stark展宽 磁流体模拟 引导     

以能带理论诠释直流聚乙烯绝缘中空间电荷的形成和抑制机理

高压直流塑料交联聚乙烯电缆的研发难点是消除其中的空间电荷效应. 目前, 国内外学者普遍通过添加纳米粒子在聚乙烯体内形成深陷阱捕获电荷的机理来抑制电荷积聚, 但此抑制机理违背了电场的基本理论. 以能带理论全面阐述聚合物介质中空间电荷的形成和抑制机理, 从一级陷阱模型出发, 应用电荷入陷和脱陷动力方程, 推导了聚合物介质中空间电荷的形成过程. 在聚合物介质中引入深陷阱后, 介质Fermi能级位移, 电极与介质之间界面接触由Ohm接触转变为阻塞接触. 考虑到无定形相中大量的陷阱密度, 电荷耗尽区宽度小于100 Å, 电极与介质之间的界面对电子变得透明, 形成中性接触, 在电压作用下, 这种聚乙烯介质中不再可能形成空间电荷. 最后, 在纯聚乙烯和纳米改性后含有深陷阱的聚乙烯两种试样上, 分别测量了电导与电场强度的关系和空间电荷分布曲线, 实验结果符合理论推导. 关键词： 直流绝缘 能带理论 空间电荷 抑制机理     

超紧凑型飞秒电子衍射仪的设计

由于空间电荷效应的限制,产生百飞秒的极短电子脉冲是超快电子衍射技术的一大难点.同时,电子的穿透深度随着电子能量的增加而增加,而电子的散射几率却具有相反的规律.因而,除了时间分辨的提升,还需要可宽范围调节的电子能量以优化不同厚度样品对其的需求.基于此,提出并设计了一种新型超紧凑电子枪,结合均匀场阴极和可移动阳极的配置,可在10-125 kV加速电压范围内实现100 fs量级时间分辨率.通过优化设计高压电极轮廓,使得其轴上和整个阴极面的场增强因子在不同阴阳极间距下均小于约4%,从而保证了不同加速电压下最大轴上场强均可达10 MV/m量级,有效地抑制了电子脉冲的展宽效应;进一步将阳极小孔设计成可放置致密电镜载网的阶梯孔,一方面可将载网支撑的样品紧贴小孔后方放置,最大程度上缩短了电子从阴极到样品的时间弥散,同时也可以有效地减弱阳极孔对电子束的散焦效应,提升电子束的横向聚焦性能.     

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.     

Space charge effects on radiative ultrashort laser-plasma interactions: Relativistic fluid model

Ultrashort laser-gas interaction is a promising candidate for the intense broad band far-infrared radiation in which the gas ionization and the resultant plasma formation occur consequently. The electron current produced in the process is the most important influential parameter which affects the far-infrared radiation generation. Although the interacting forces of the process are the space charge electric and the laser electromagnetic forces, the effect of the former one, has not been investigated on the gas-plasma THz generation. It is noteworthy that the space charge electric force, due to its effect on the electron distribution, has potential influence on the produced electron current and its consequent emission. Here, a 2D relativistic fluid model is presented in which the ions and the resultant space charge field are incorporated. The model investigates the air ionization, electron-ion plasma formation, and the system's evolution, spatiotemporally. Moreover, as the model is based on the transient electron current, as the source for the electromagnetic pulse radiation, it gives the temporal profile of the radiated field in which the space charge effects are observable. Our results show that the space charge field affects the electron velocity and its resultant current. Therefore, the temporal profiles and amplitudes of the radiated field components are affected and their resemblance to the experimental data is enhanced. The results indicate that the amplitude of the radiated field increases in the presence of the space charge field. In addition, it is shown that the space charge effects become more pronounced with the laser intensity.     

Charging dynamics of a polymer due to electron irradiation： A simultaneous scattering-transport model and preliminary results

<正>We present a novel numerical model and simulate preliminarily the charging process of a polymer subjected to electron irradiation of several 10 keV.The model includes the simultaneous processes of electron scattering and ambipolar transport and the influence of a self-consistent electric field on the scattering distribution of electrons.The dynamic spatial distribution of charges is obtained and validated by existing experimental data.Our simulations show that excess negative charges are concentrated near the edge of the electron range.However,the formed region of high charge density may extend to the surface and bottom of a kapton sample,due to the effects of the electric field on electron scattering and charge transport,respectively.Charge trapping is then demonstrated to significantly influence the charge motion.The charge distribution can be extended to the bottom as the trap density decreases.Charge accumulation is therefore balanced by the appearance and increase of leakage current.Accordingly,our model and numerical simulation provide a comprehensive insight into the charging dynamics of a polymer irradiated by electrons in the complex space environment.     

Charging dynamics of polymer due to electron irradiation: A simultaneous scattering-transport model and preliminary results

We present a novel numerical model and simulate preliminarily the charging process of polymer subjected to electron irradiation of several 10 keV. The model includes the simultaneous processes of electron scattering and ambipolar transport and the influence of a self-consistent electric field on the scattering distribution of electrons. The dynamic spatial distribution of charges is obtained and validated by existing experimental data. Our simulations show that excess negative charges are concentrated near the edge of the electron range. However, the formed region of high charge density may extend to the surface and bottom of a kapton sample, due to the effects of electric field on electron scattering and charge transport, respectively. Charge trapping is then demonstrated to significantly influence the charge motion. The charge distribution can be extended to the bottom as the trap density decreases. Charge accumulation is therefore balanced by the appearance and increase of leakage current. Accordingly, our model and numerical simulation provide a comprehensive insight into the charging dynamics of polymer irradiated by electrons in the complex space environment.     

棒-板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析

本文基于流体动力学理论改进出一种新的棒-板电极负电晕放电混合数值模型, 模型中加入了27种主要碰撞反应, 并考虑了光电离和二次电子发射过程. 对棒-板间距3.3 mm, 施加电压-5.0 kV情况下进行数值计算, 得到负电晕放电的特里切尔脉冲. 重点分析了单个特里切尔脉冲持续过程中5个关键时刻的微观特征量发展规律, 丰富并量化描述了特里切尔脉冲的微观过程, 主要结论如下: 随着放电时间的发展, 电场集中分布区域向阳极移动且幅值变小, 这对电子崩的发展非常不利. 大部分放电区域都是电中性的, 只有在阴极鞘和阳极鞘附近有带正电的等离子体特性, 带负电的离子云随着放电时间的发展缓慢向阳极发散式移动. 整个特里切尔脉冲持续过程中, 阴极鞘内电子密度几乎为0; 特里切尔脉冲前期, 阴极鞘附近电子密度迅速增加至最大值并保持基本不变; 随着放电时间的增加, 放电间隙内电子密度整体增加, 并且向阳极发展. 在特里切尔脉冲后期, 电子的产生主要来自于N₂和O₂的碰撞电离, 电子的消失则主要由N₂⁺的复合决定, O₄⁺和O₂^-分别是数量最多的正离子和负离子. 关键词： 负电晕 混合模型 特里切尔脉冲 微观特征量     

半绝缘GaAs光电导开关产生太赫兹波电场屏蔽效应的二维Monte Carlo模拟

利用Ensemble-Monte Carlo模拟方法，对不同实验条件下半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关作为偶极辐射天线在辐射太赫兹电磁波(太赫兹波)中体内电场的分布以及空间电荷屏蔽效应对太赫兹波辐射的影响进行了模拟.载流子的时域空间电场分布表明:用高能量激光脉冲触发低压偏置的GaAs开关，空间电荷屏蔽是限制太赫兹波辐射功率的一个重要因素，并且空间电荷屏蔽能够引起太赫兹波呈现双极性.当高能量飞秒激光脉冲以全电极间隙触发大孔径光电导天线时，空间电荷电场屏蔽效应对太赫兹波的影响不大. 关键词： 光电导开关 Ensemble-Monte Carlo模拟 辐射场屏蔽 空间电荷屏蔽     

雷云电场作用下长地线表面正极性辉光电晕放电的仿真研究

在雷云电场的缓慢作用下, 一种无流注的正极性辉光电晕在接地物体表面起始, 向周围空间注入大量正极性空间电荷, 从而改变雷电先导对雷击目的物的选择. 本文对雷云电场作用下起始于长地线表面的正极性辉光电晕放电进行了仿真研究; 考虑了正极性离子与其他离子的附着与碰撞作用, 建立了一种精确的二维正极性辉光电晕模型; 并通过在实验室内开展高压电晕放电试验, 测量了不同背景电场下的电晕电流; 与本文所建模型的仿真结果进行对比, 对模型的正确性进行了验证. 基于上述模型, 对正极性辉光电晕在雷云感应作用下的起始发展过程与电晕特性进行了仿真模拟, 得到了该电晕的电晕电流、正离子密度分布规律以及正离子迁移规律. 发现在雷云电场作用下, 电晕放电产生的正离子在迁移初期于垂直于地线的平面内基本呈圆对称状均匀分布, 但随着离子逐渐远离地线其分布不再均匀, 呈拉长的椭圆形分布, 多数离子最终分布于地线上方区域并逐渐向雷云方向迁移; 由于正离子在地线上方迁移区聚集形成的正空间电荷背景对行进电子束具有衰减和消耗作用, 抑制了电子崩的形成, 并降低了电子崩转化为流注的概率, 阻止了新的电子崩对流注的不断注入, 同时正空间电荷背景使气体的碰撞面增大, 增加了与电子的复合概率, 引起大量电子的消耗, 最终抑制了电子崩的形成与流注的发展, 地线表面的上行先导得到抑制.     

从聚酰亚胺单分子链电荷陷阱特性的改变探讨体材料的沿面放电现象

沿面放电是破坏绝缘系统性能的原因之一.聚酰亚胺常用于高频电力设备的气-固绝缘中,为此利用密度泛函理论,从原子分子层面探讨了在外电场下聚酰亚胺及其受极性基团OH~–影响后的单分子链结构、能级与态密度、静电势、激发态等微观参数对陷阱形成以及沿面放电的影响.结果表明,外电场下,聚酰亚胺分子结构卷曲,偶极矩增加,易于积聚电荷形成空间电荷中心,尤属引入极性基团OH~–后变化较明显;聚酰亚胺分子中,苯环区域形成空穴陷阱,酰亚胺环区域形成电子陷阱,且电子陷阱能级的数量较多,其中空间电荷陷阱深度随外电场的增加逐渐变深;聚酰亚胺分子在引入极性基团OH~–后激发能降低,使得分子内部的电子变得容易被激发;电子与空穴的空间分离度随电场增加而降低,利于空穴与电子的复合而发出光子.     

Use of the BFCPIC and BFCRAY codes to describe space charge limited emission in electron guns for gyrotrons

Numerical modelling of an electron gun in the space charge limited regime requires determining the current density distribution as well as the electric fields and electron trajectories. This is a rather complicated self-consistent problem, since the space charge influences the electric field, which in turn influences the electron trajectories. Previous simulations of magnetron electron guns using the BFCPIC and BFCRAY codes used a simple emission model (constant current density) that is approximately valid for thermionic emission. The code has been modified to include space charge limited emission. Several different ways of doing this are considered. One of the models considered uses Gauss’s law to force the electric field on the emitter to vanish; it was used in the original version of BFCPIC for the simulation of ion diodes. A second is based on the use of Child’s law (locally), which may be more appropriate for extension to fully electromagnetic particle-in-cell (PIC) codes. Calculations were performed with both models, and the results compared with each other and with experiments performed at FZK.