圆柱腔内系统电磁脉冲的数值模拟

应用3维全电磁粒子模拟程序研究腔体的内SGEMP,作为校验,模拟计算了光电子由圆柱腔体端面向内发射的SGEMP模型,并与文献结果进行了对比;使用该程序对圆柱腔体的3维内SGEMP进行模拟研究,得出注量为100 J/m²,特征温度为2 keV的黑体谱X射线,垂直入射高为4.5 cm、半径为7.5 cm的圆柱腔体侧面时,发射电流为20 A,产生的电场最高可达150 kV/m,磁场高达3.0×10⁻⁵ T。并对不同X射线注量下的电荷和电场分布情况进行了初步研究。     

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。     

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。     

用于腔体内电磁脉冲模拟的三维并行全电磁粒子方法

X射线辐照飞行器等腔体在其内部产生的腔体内电磁脉冲,会干扰其内部电子系统的正常工作,进而影响飞行器的运行和生存。介绍一种三维并行全电磁粒子方法,用于模拟X射线辐照腔体在其内部产生的瞬态电磁脉冲响应。在这一数值方法中,时域有限差分方法和Particle-in-Cell方法用来求解瞬态电磁场的产生和带电粒子运动之间的耦合关系,有效电流分配方法用来计算瞬态电磁场产生的源项。该方法基于JASMIN并行框架实现,可模拟含数亿网格和数亿粒子的三维腔体结构的内电磁脉冲响应,且具备大规模并行的优势。用这一方法来模拟圆柱腔体在X射线辐照下的腔体内电磁脉冲响应,其计算结果与文献结果吻合较好,验证了算法的有效性和正确性。     

稀薄空气中圆柱腔体内系统电磁脉冲的混合模拟

系统电磁脉冲广泛存在于强电离辐射环境中,且难以有效屏蔽.为了评估稀薄空气对系统电磁脉冲的影响,本文基于粒子-流体混合模拟方法,建立了三维非稳态模型,计算并分析了稀薄空气等离子体的特性以及其与电磁场响应的相互作用.结果表明,压力越高,光电子发射面附近的次级电子数密度越高,轴向分布的梯度越大,腔体中部的电子数密度在20 Torr(1 Torr=133 Pa)下出现峰值,而电子温度随压力升高单调递减.腔体内的稀薄空气等离子体阻碍了空间电荷层的产生,电场响应峰值比真空条件下的低了一个数量级,电场脉冲宽度也显著降低.光电子运动特性决定了电流响应的峰值,压力升高,到达腔体末端的电流先增加再减小.而等离子体电流会抑制总电流的上升速率,并使电流响应出现拖尾.最后,将数值模拟结果与电子束模拟系统电磁脉冲的实验结果进行比较,验证了本文混合模拟模型的可靠性.本研究所采用的混合模拟方法相比于粒子云网格-蒙特卡罗碰撞方法,大幅减小了计算消耗.     

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。     

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。     

稀薄空气中圆柱腔体内系统电磁脉冲的混合模拟

系统电磁脉冲广泛存在于强电离辐射环境中,且难以有效屏蔽.为了评估稀薄空气对系统电磁脉冲的影响,本文基于粒子-流体混合模拟方法,建立了三维非稳态模型,计算并分析了稀薄空气等离子体的特性以及其与电磁场响应的相互作用.结果表明,压力越高,光电子发射面附近的次级电子数密度越高,轴向分布的梯度越大,腔体中部的电子数密度在20 Torr(1 Torr=133 Pa)下出现峰值,而电子温度随压力升高单调递减.腔体内的稀薄空气等离子体阻碍了空间电荷层的产生,电场响应峰值比真空条件下的低了一个数量级,电场脉冲宽度也显著降低.光电子运动特性决定了电流响应的峰值,压力升高,到达腔体末端的电流先增加再减小.而等离子体电流会抑制总电流的上升速率,并使电流响应出现拖尾.最后,将数值模拟结果与电子束模拟系统电磁脉冲的实验结果进行比较,验证了本文混合模拟模型的可靠性.本研究所采用的混合模拟方法相比于粒子云网格-蒙特卡罗碰撞方法,大幅减小了计算消耗.     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

光电子发射引起的系统电磁脉冲模拟研究

基于给定光电子的时间、能量谱,分析研究了从有界平面金属向自由空间发射的光电子所引起的系统电磁脉冲效应;采用2.5维全电磁粒子模拟（PIC）程序模拟研究了光电子在空间的运动及分布规律、空间电磁场的组成成分及各组分场的特性。模拟与分析表明：系统电磁脉冲的空间电磁场由直流本底场和辐射场两部分组成。直流场是径向场,随距离的增大迅速衰减;而辐射场又由两部分组成,一是电子从金属平板发射过程中产生的超辐射,二是电子在空间运动过程中产生的辐射场。对两种辐射场特性进行了深入的分析和研究。     

光电子发射引起的系统电磁脉冲模拟研究?

基于给定光电子的时间、能量谱,分析研究了从有界平面金属向自由空间发射的光电子所引起的系统电磁脉冲效应;采用2.5维全电磁粒子模拟(PIC)程序模拟研究了光电子在空间的运动及分布规律、空间电磁场的组成成分及各组分场的特性。模拟与分析表明:系统电磁脉冲的空间电磁场由直流本底场和辐射场两部分组成。直流场是径向场,随距离的增大迅速衰减;而辐射场又由两部分组成,一是电子从金属平板发射过程中产生的超辐射,二是电子在空间运动过程中产生的辐射场。对两种辐射场特性进行了深入的分析和研究。     

系统电磁脉冲综合环境中导线响应的计算

采用时域有限差分法(FDTD)、粒子模拟(PIC)方法和Holland细线算法,对圆柱腔体内带负载导线的系统电磁脉冲(SGEMP)综合环境响应进行了模拟。计算结果表明:导线负载上的响应电流从大到小依次由透射X射线、SGEMP场和前向电子产生;透射X射线和前向电子产生的响应电流极性相反;SGEMP场在导线负载上响应电流的极性与场分布有关;3种环境在负载上的综合响应中透射X射线的响应最大。对于腔体内的导线来说,SGEMP综合环境防护时透射X射线是重点考虑的因素。     

系统电磁脉冲综合环境中导线响应的计算

采用时域有限差分法(FDTD)、粒子模拟(PIC)方法和Holland细线算法,对圆柱腔体内带负载导线的系统电磁脉冲(SGEMP)综合环境响应进行了模拟。计算结果表明：导线负载上的响应电流从大到小依次由透射X射线、SGEMP场和前向电子产生;透射X射线和前向电子产生的响应电流极性相反;SGEMP场在导线负载上响应电流的极性与场分布有关;3种环境在负载上的综合响应中透射X射线的响应最大。对于腔体内的导线来说,SGEMP综合环境防护时透射X射线是重点考虑的因素。     

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法（PIC）处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。     

光电子发射引起的柱腔内系统电磁脉冲的模拟

用时域有限差分法结合PIC粒子模拟方法,对光电子发射引起的圆柱腔内电磁脉冲现象进行了模拟,并对单能电子发射时电场的空间分布和系统电磁脉冲波形特征进行了分析。利用粒子抽样和间隔时间粒子注入的方法,得到了特定电子发射谱下的计算结果,并与非抽样方法所得的结果进行了比较。计算结果显示,采用该方法后,噪声略有增加,但计算要求的条件大大降低,计算的粒子数有效地减少,适用于3维粒子模拟计算;计算结果还显示,发射电子能谱越高,注量越大,表面电场区与饱和电场区的长度越短。     

圆柱腔体光电输运的蒙特卡罗模拟

应用三维并行蒙特卡罗程序JMCT, 计算了特征温度分别为1, 3, 5, 8keV的黑体谱X射线入射到铝、二氧化硅、金的表面的背散射光电产额和电子能谱, 并与文献结果进行对比, 验证了程序的正确性, 进而针对系统电磁脉冲(SGEMP)研究中的典型几何结构——金属圆柱腔体, 模拟计算了其在黑体谱X射线照射下的光电输运过程, 用温度为1keV、注量为1J/m²的黑体谱X射线平行照射圆柱腔侧面, 半个侧面发射光电子, 计算得出了和方位角相关的不同面上发射光电子的光电产额、能谱分布和角分布, 结果表明掠入射的X射线会产生更高的光电产额; 光电子的发射角分布都基本符合余弦角分布的规律。