微波输出窗内表面闪络击穿3维全电磁等离子体流体模拟

通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型,基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D,编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块,对1.3 GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明：微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下,等离子体发展为蘑菇形状, 输出微波脉冲缩短并不严重,等离子体吸收微波功率大于反射微波功率;面源分布下,等离子体发展为帽子形状,输出微波脉冲缩短严重,输出微波完全截断,开始阶段等离子体吸收微波功率占优,待等离子体密度增加到一定程度后,反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法,可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。     

高功率微波窗内外表面闪络击穿流体模拟研究

建立理论模型,将电磁场时域有限差分方法与等离子体流体模型结合,编制一维电磁场与等离子流体耦合程序,数值研究了3 GHz高功率微波窗内外表面闪络击穿的不同物理过程.研究结果表明:外表面闪络击穿中,输出微波脉宽缩短(未完全截止),窗体前均方根场强呈驻波分布,波节与波腹位置不变,窗体外表面形成有一层高密(约10~(21)·m~(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体(扩散缓慢),入射波可部分透过该薄层等离子体,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;降低初始等离子体密度、厚度、入射波场强及缩短入射波脉宽等方式,可不同程度地改善输出脉宽缩短效应.内表面闪络击穿中,窗体前均方根场强亦出现驻波分布f但波节与波腹位置随时间变化),等离子体向波源方向运动;强释气下,输出脉宽缩短(未完全截止),形成多丝状高密(约10~(21)·m~(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体区域(扩散缓慢),间距1/4微波波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、低场强下,脉宽缩短有所改善(但最终截止),形成多带状致密(约10~(18)·m~(-3)量级)略厚(mm-cm量级)等离子体区域(扩散较快),间距1/4波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、高场强下,脉宽缩短严重(很快截止),形成块状高密(约10~(21)·m~(-3)量级)较厚(约cm量级)等离子体区域(扩散迅速),脉宽缩短主要源于等离子体反射效应.     

3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

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。     

FDTD方法分析高功率微波对大气的电离与击穿

 应用麦克斯韦方程和电子流体方程,利用时域有限差分方法(FDTD)计算模拟了高功率微波(HPM)对大气的电离与击穿;该方法用瞬时电场代替等效电场,时刻更新大气电离击穿过程中的电离频率和碰撞频率,消除了近似解析法未考虑大气电离击穿过程中电场幅度衰减而引起的误差,计算得到击穿阈值大小随海拔高度的变化趋势与文献所得的变化趋势相吻合,其值略大于近似解析解;并通过仿真计算分析了HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿的影响。     

FDTD方法分析高功率微波对大气的电离与击穿

应用麦克斯韦方程和电子流体方程,利用时域有限差分方法(FDTD)计算模拟了高功率微波(HPM)对大气的电离与击穿;该方法用瞬时电场代替等效电场,时刻更新大气电离击穿过程中的电离频率和碰撞频率,消除了近似解析法未考虑大气电离击穿过程中电场幅度衰减而引起的误差,计算得到击穿阈值大小随海拔高度的变化趋势与文献所得的变化趋势相吻合,其值略大于近似解析解;并通过仿真计算分析了HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿的影响。     

110 GHz微波输出窗内表面次级电子倍增特性的电磁粒子模拟

在输出窗内表面上,次级电子倍增是限制高功率微波功率容量的主要因素之一,因而开展相关研究具有重要的意义.在微波频率为110 GHz下,本文通过一维空间分布和三维速度分布的电磁粒子模型对次级电子倍增过程及其引起的损失功率进行了数值模拟.重点研究了介质表面处的微波电场和介质材料种类对损失功率的影响.模拟结果表明,在次级电子倍增达到稳态之后,尽管电子数密度高于临界的截止数密度,但是微波电场没有发生明显的改变.这是因为在很高的静电场下,电子主要聚集在介质表面附近若干微米的区域,远小于相应的趋肤深度.倍增稳态时的电子数密度随着微波电场升高而增加,然而损失功率与表面处的微波功率之比增加得较为缓慢.在倍增达到稳态之后,由于蓝宝石表面附近的电子数密度最高,石英晶体表面附近的次之,熔融石英表面附近的数密度最低,所以相应的损失功率依次减小.为验证模型的准确性,将倍增阈值的模拟值与实验数据进行了对比,并讨论了两者之间的差异.     

X波段馈源输出窗高功率微波击穿实验装置

为了开展高功率微波(HPM)馈源输出窗介质击穿实验研究,设计了一种组合型X波段高功率微波（HPM）喇叭馈源击穿实验装置。装置采用变张角喇叭与可移动介质输出窗组合的结构,通过调节变张角喇叭口面与输出窗间的距离,使得介质输出窗内表面电场强度可调。数值模拟结果表明：在满足馈源喇叭驻波比小于1.15,E面和H面基本等化的情况下,当调节变张角喇叭口面与介质输出窗距离在0～400 mm范围内变化时,HPM馈源输出窗上的电场强度变化为32.6~87.0 kV·cm-1,满足了在真空度3×10-3 Pa、脉冲宽度20 ns条件下,HPM介质击穿对电场强度变化的要求。根据数值模拟结果,设计加工了HPM介质击穿实验装置,并成功地应用于GW级HPM馈源输出窗介质击穿实验研究。     

沿面闪络流体模型电离参数粒子模拟确定方法

介绍了粒子模拟确定高功率微波介质沿面闪络击穿流体模型相关电离参数的方法.对粒子模拟方法 (包括带电粒子动力学方程、次级电子发射以及蒙特卡罗碰撞模型)和流体整体模型方法 (包括连续性方程和能量守恒方程)做了简介.基于自编的1D3V粒子模拟-蒙特卡罗碰撞程序给出了在高(低)气压、不同气体种类以及不同微波场强和微波频率下流体模型电离参数的粒子模拟结果,包括电离频率、击穿时间、平均电子能量、电子能量分布函数类型.研究结果表明:平均电子能量与电子能量分布函数类型关系不大;中低气压下,电子能量接近Maxwell分布,电子能量分布函数类型对电离参数几乎没有影响;中高气压下,电子能量分布函数类型对电离参数有重要影响,其依赖系数X趋于高阶形式.不同气体的电子能量分布函数类型不同,需要利用粒子模拟对电子能量分布函数类型进行标定.同时,电子能量分布函数依赖系数与微波场强和频率也有关系,其随微波场强增加而增大,随微波频率增加而减小.在给定考察范围(微波场强在7 MV/m以下,微波频率在40 GHz以内),中低气压下,平均电子能量随微波场强增加而迅速增大,电离频率随微波场强增加先增大后降低,平均电子能量随微波频率增加而降低,电离频率随微波频率增加先增加后降低;高气压下,平均电子能量随微波场强增加而缓慢增大,电离频率随微波场强增加而增大,微波频率对平均电子能量和电离频率影响不大.     

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.     

并行3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE的外加磁场模块设计

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。     

并行3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE的外加磁场模块设计

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。     

外加磁场下真空沿面闪络特性数值模拟

以单粒子模型和带电粒子运动方程为基础,采用蒙特卡罗方法,编写了真空沿面闪络过程计算程序,研究了外加磁场对真空沿面闪络过程的影响,主要是对二次电子发射及电子束的雪崩运动的影响。研究表明：外加磁场的存在,改变了绝缘体表面电子的运动,进而影响到绝缘体表面电荷的分布,从而在宏观上对绝缘体的耐受电压产生影响;外磁场抑制真空沿面闪络的效果与磁场的空间分布有关,磁场加在阴极附近时产生的效果优于加在阳极附近。     

块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构

对块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构进行了实验研究,结果发现:增加催化剂的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度降低,强度提高;增加前驱体的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度变化不大,强度提高;增加水量,凝胶化时间先缩短后增加,湿凝胶透明度先减小后增加,强度先增加后减小。利用扫描电镜对超临界干燥法制备的不同催化剂量和密度的块状TiO2气凝胶的结构进行了表征,并对结构与溶胶-凝胶过程之间的联系进行了分析。结果表明:增加催化剂量,由于缩聚反应进行的程度提高,气凝胶粒子粒径较小且总的孔径较大。减小前驱体量,气凝胶粒子粒径增大且结构逐渐疏松。