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北大核心CSCD

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1.3GHz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。     

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.     

Microwave magnetic field effects on high-power microwave windowbreakdown

Microwave window breakdown in vacuum is investigated for an idealized geometry, where a dielectric slab is located in the center of a rectangular waveguide with its normal parallel to the microwave direction of propagation. An S-band resonant ring with a frequency of 2.85 GHz and a power of 60 MW is used. With field enhancement tips at the edges of the dielectric slab, the threshold power for breakdown is observed to be dependent on the direction of the microwaves; i.e., it is approximately 20% higher for the downstream side of the slab than it is for the upstream side. Simple trajectory calculations of secondary electrons in an RF field show a significant forward motion of electrons parallel to the direction of microwave propagation. Electrons participating in a saturated secondary avalanche on the upstream side are driven into the surface, and electrons on the downstream side are driven off the surface, because of the influence of the microwave magnetic field. In agreement with the standard model of dielectric surface flashover for dc conditions (saturated avalanche and electron-induced outgassing), the corresponding change in the surface charge density is expected to be proportional to the applied breakdown threshold electric field parallel to the surface     

A New Method for Measuring Breakdown and Maintenance Fields in Microwave Discharges

A new experimental approach for comparative measurements of breakdown and maintenance electric fields in microwave discharges is described. The method is based on the analysis of the RF pulses transmitted to a matched load, in absence and in presence of the discharge, by the applicator employed for coupling the RF power to the gas under investigation. Results on breakdown and maintenance field in microwave discharges in nitrogen, at a frequency of 2.45 GHz, for flow and non-flow conditions, in the pressure range 0.5 to 6 torr, are reported.     

Similarities of dielectric surface flashover under atmospheric conditions for pulsed unipolar and RF excitation

Mechanisms in vacuum surface flashover caused by rf (f < 10 GHz) or unipolar voltages are virtually identical. Similarities between rf (representing high-power microwave window breakdown on the high-pressure side) and unipolar surface flashover are expected in an atmospheric environment as well. Two separate experimental setups were utilized to investigate both unipolar flashover and rf window flashover under atmospheric conditions while controlling excitation, temperature, pressure, humidity, and type of gas present, all under a similar electric field-surface geometry. The local electric field at the flashover initiating points has been numerically calculated in detail for all test geometries. For both rf and unipolar pulsed excitation, the flashover dynamics are changed by the application of UV light to the dielectric surface. A UV prepulse has a distinct impact on the arc’s path and a tendency to decrease the hold-off electric field. The effect of humidity on the hold-off electric field for both pulsed unipolar and rf excitations, along with temporally resolved emission spectroscopy of the flashover event, is discussed. This work was funded by the Cathode and HPM Breakdown MURI program and managed by the Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) and by Sandia National Laboratories.     

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。     

加工工艺对微波窗材料介电性能的影响

聚四氟乙烯、聚乙烯、有机玻璃等介质材料因其良好的透波性能和优异的机械性能被广泛用作高功率微波的输出窗口,但关于窗口加工处理工艺对材料介电性能的影响却少有研究。利用高压电桥及高阻计对不同介质材料不同工艺下的基本介电参数进行了测量,利用静电感应法对不同介质材料表面0.8~0.9 eV浅能级的电子陷阱密度分布进行了测试,利用波导口开展了S波段800 MW、百ns微波脉冲作用下的介质击穿实验,考察了材料表面粗糙度、划痕对介质窗表面击穿的影响。结果表明：烘烤工艺在一定程度上降低了材料的耐击穿性能,增加了介质损耗;平行于电场方向的划痕形成了材料表面击穿的通道,而该通道的存在又进一步加剧了击穿的发生。     

加工工艺对微波窗材料介电性能的影响

聚四氟乙烯、聚乙烯、有机玻璃等介质材料因其良好的透波性能和优异的机械性能被广泛用作高功率微波的输出窗口,但关于窗口加工处理工艺对材料介电性能的影响却少有研究。利用高压电桥及高阻计对不同介质材料不同工艺下的基本介电参数进行了测量,利用静电感应法对不同介质材料表面0.8~0.9 eV浅能级的电子陷阱密度分布进行了测试,利用波导口开展了S波段800 MW、百ns微波脉冲作用下的介质击穿实验,考察了材料表面粗糙度、划痕对介质窗表面击穿的影响。结果表明:烘烤工艺在一定程度上降低了材料的耐击穿性能,增加了介质损耗;平行于电场方向的划痕形成了材料表面击穿的通道,而该通道的存在又进一步加剧了击穿的发生。     

Electrical breakdown theory for a two-component system

The field distribution between the liquid and solid phases is calculated for pulse tests of breakdown of sodium chloride, coal, and cuprous sandstone in water and in transformer oil, taking account of the phenomenon of polarization build-up. Conditions for breakdown without flashover are found. The rupture mechanism is investigated for a two-component system in pulsed electric fields.     

喇叭有效口径渐变法测量高功率微波天线近场气体击穿

设计了喇叭有效口径渐变法测量高功率微波气体击穿的实验方案,通过连续改变喇叭的有效口径改变天线近场的电场强度,使微波传输达到气体击穿的条件。介绍了实验原理及诊断方法,进行了L波段的高功率微波天线近场空气击穿实验,分析了实验中得到的典型波形。结果显示:脉宽30 ns、L波段的微波在0.4×105 Pa空气中击穿阈值为33.9 kV/cm。实验现象与设计吻合,验证了该方案研究微波气体击穿的可行性。     

高功率微波输出窗内侧击穿动力学的PIC/MCC模拟研究

高功率微波在受控热核聚变加热、微波高梯度加速器、高功率雷达、定向能武器、超级干扰机及冲击雷达等方面有着重要的应用.本文针对高功率微波输出窗内侧氩气放电击穿过程,建立了二次电子倍增和气体电离的一维空间分布、三维速度分布（1D3V）模型,并开发了相应的PIC/MC程序代码.研究了气压、微波频率、微波振幅对放电击穿的影响.结果表明：在真空情况下,介质窗放电击穿只存在二次电子倍增过程;在低气压和稍高气压时,二次电子倍增和气体电离共存;在极高气压时,气体电离占主导.给出了不同气压下电子、离子的密度和静电场的空间分布.此外还观察到,在500 mTorr时,随着微波振幅或微波频率的变化,气体电离出现的时刻和电离产生的等离子体峰值位置有较大差异,尤其是当微波频率（GHz）在数值上是微波振幅（MV/m）的2倍时,气体电离出现的较早.     

波导等离子体限幅器中气体的选择与触发条件计算

 为保护电子设备不受高功率微波损坏,在矩形波导中嵌入等离子体限幅器。计算了不同气体的微波击穿场强随气体压强以及微波频率的变化规律。在高气压条件下（1 333~133 320 Pa）,气体击穿场强随气压增大而增大,在计算的4种气体中Ne的击穿场强最小;低气压条件下（1.333 2~133.32 Pa）,气体击穿场强随气压增大而减小,且Xe具有最小击穿场强。高气压条件下气体的击穿场强明显高于低气压下的击穿场强。计算结果表明：当填充133.32 Pa的Xe时,限幅器能够在约30 km范围内,有效地防护10 GW级高功率微波对电子设备的损坏。     

波导等离子体限幅器中气体的选择与触发条件计算

为保护电子设备不受高功率微波损坏,在矩形波导中嵌入等离子体限幅器。计算了不同气体的微波击穿场强随气体压强以及微波频率的变化规律。在高气压条件下（1 333~133 320 Pa）,气体击穿场强随气压增大而增大,在计算的4种气体中Ne的击穿场强最小;低气压条件下（1.333 2~133.32 Pa）,气体击穿场强随气压增大而减小,且Xe具有最小击穿场强。高气压条件下气体的击穿场强明显高于低气压下的击穿场强。计算结果表明：当填充133.32 Pa的Xe时,限幅器能够在约30 km范围内,有效地防护10 GW级高功率微波对电子设备的损坏。     

Microwave breakdown in slots

The properties of microwave-induced breakdown of air in narrow metallic slots are investigated, both theoretically and experimentally, with emphasis on factors important for protection against transmission of incident high-power microwave radiation. The key factors investigated are breakdown power threshold, breakdown time, peak-leakage power, and total transmitted energy, as functions of incident pulse shape and power density. The theoretical investigation includes estimates of the electric field intensification in narrow slots and basic breakdown plasma modeling. New results important for application to the high-power microwave field, such as the influence of pulse shape on breakdown time and peak-leakage power, are presented. The experimental investigation comprises a set of slot breakdown experiments at atmospheric pressure, which are analyzed to extract key parameters, such as transmission cross section, breakdown time, peak leakage power, and transmitted energy. The experimental data is compared and shown to be in good agreement with results obtained in the theoretical investigation.     

均压环在高功率微波辐射天线窗中的应用

为提高高功率微波（HPM）辐射天线的功率容量,设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变,电子运动轨迹也随之发生改变,改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时,CST模拟表明,均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器（BWO）实验中（输出微波为TM01模）,结果表明:在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时,普通天线窗输出脉宽为45 ns,而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。     

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.     

均压环在高功率微波辐射天线窗中的应用

为提高高功率微波（HPM）辐射天线的功率容量,设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变,电子运动轨迹也随之发生改变,改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时,CST模拟表明,均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器（BWO）实验中（输出微波为TM01模）,结果表明：在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时,普通天线窗输出脉宽为45 ns,而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。     

Control of microwave signals using bichromatic electromechanically induced transparency in multimode circuit electromechanical systems

We theoretically investigate the tunable delay and advancement of microwave signals based on bichromatic electromechanically induced transparency in a three-mode circuit electromechanical system, where two nanomechanical resonators with closely spaced frequencies are independently coupled to a common microwave cavity. In the presence of a strong microwave pump field, we obtain two transparency windows accompanied by steep phase dispersion in the transmitted microwave probe field. The width of the transparency window and the group delay of the probe field can be controlled effectively by the power of the pump field. It is shown that the maximum group delay of 0.12 ms and the advancement of0.27 ms can be obtained in the current experiments.