开放空间重复频率微波脉冲击穿概率理论与实验研究

综合考虑有效初始电子产生理论、雪崩电子击穿理论等过程中的击穿延迟时间,探讨了开放空间微波脉冲的击穿延时概率分布,提出了重复频率微波脉冲击穿概率模型,定义了基于概率模型的微波脉冲击穿阈值。利用S波段微波准光学反射聚焦系统对一定气压大气击穿过程进行了模拟,监测击穿放电发光时刻作为击穿时间,分别在铯137放射源存在与否情况下开展了系列实验。研究结果表明,提高种子电子产生率相较于提高电离率是增大脉冲击穿概率更有效的方法;重复频率过程中,若存在累积效应,击穿延时概率分布曲线将左移并趋于稳定,击穿后的气体在短时间内容易再次击穿。     

高功率微波作用下O-离子解吸附产生种子电子过程

种子电子是高功率微波大气击穿的根源, 研究高功率微波大气击穿时, 一般假设背景大气中存在种子电子, 此假设在低层大气环境中会给模拟结果带来较大误差. 本文建立了高功率微波强电场作用下O^-离子解吸附碰撞过程物理模型, 基于传统的空碰撞模型, 提出了改进的蒙特卡罗仿真方法, 编写了三维仿真程序, 对高功率微波作用下O^-离子的解吸附过程进行了仿真, 分析了O^-离子平均能量随时间的变化过程以及O^-离子与空气分子的碰撞过程, 得到了不同压强、场强、频率和击穿体积条件下种子电子平均产生时间. 理论与仿真结果表明, 随着频率增大, 种子电子平均产生时间变大, 随着击穿体积、场强以及压强增大, 种子电子平均产生时间变小. 最后, 考虑O^-离子与空气分子解吸附碰撞提供种子电子条件下, 给出了大气击穿时间理论与实验对比结果, 发现高功率微波频率较低时, 该种子电子产生机理可以解释实验结果, 而高功率微波频率较高时, 该机理下种子电子平均产生时间过长而与实验数据不符.     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

高功率微波脉冲大气击穿概率研究

高功率微波大气击穿实验中,入射功率在大气击穿阈值附近,即使外界条件相同,大气击穿可能发生也可能不发生。针对这一问题,基于大气击穿机理,将大气击穿分为首个电子出现在击穿区域和高功率微波电场导致雪崩击穿两个过程。针对第一个过程,建立了改进的电子连续性方程,引入平均电子产生率分析大气击穿发生前电子出现的概率问题;针对第二个过程,建立了高功率微波大气雪崩击穿概率模型。综合两个过程,建立了高功率微波大气击穿概率模型,仿真了不同压强条件下大气击穿的概率,并与相关实验数据进行了比对,仿真结论与实验数据吻合较好。     

重复频率高功率微波脉冲的大气击穿

 理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性，推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度，数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下，大气击穿时，透射过去的脉冲个数与微波功率的关系。模拟结果表明：当微波脉冲参数一定时，压强越小，透射过去的脉冲个数越少，大气越容易发生击穿；当压强一定时，脉宽越宽,微波频率越小，透射过去的脉冲个数越少，大气越容易发生击穿。     

高功率微波单一气体及混合气体击穿特性

综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程,建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型,编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究,仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程,对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大,而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程,得到了Ar和N2击穿时间,并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验,测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜,大大减小了壁效应的影响,并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。     

电子弛豫过程对重复频率高功率微波大气击穿的影响

 研究了重复频率高功率微波脉冲作用下的大气击穿。分析了重复频率脉冲作用下电子的弛豫过程,对脉冲间隔时间内电子温度和自由电子密度的变化规律进行了研究,得出了电子温度弛豫时间远小于电子密度弛豫时间的结论。分析了电子弛豫过程的附着效应和复合效应,给出了高功率微波重复频率脉冲作用下发生大气击穿的条件和重复频率高功率微波大气击穿的电子数密度方程。     

短脉冲高功率微波大气击穿研究

 论述了短脉冲高功率微波在波导内和自由空间中大气击穿的实验研究,给出了不同气压条件下的击穿阈值,并对两实验条件下的结果进行了比较,两种实验的数据统计结果基本一致,证明了采用波导内大气击穿方法来研究大气击穿问题的合理性。     

微波击穿大气电子温度与电子密度依存关系

给出了描述高功率微波脉冲大气非线性传输及微波大气等离子体特征演化的方程组,并在以微波群速度运动的局域坐标系下完成程序编制。据此模拟分析了高功率微波大气长程非线性传输及自产生大气等离子体的基本物理过程,给出了在击穿建立过程中,电子数密度增长与电子温度升高之间的关系。模拟结果表明:由于大气层中本底自由电子数密度较低,高功率微波脉冲到达时会迅速地将大气中现有的自由电子加热至平衡温度,与之相比导致电子数密度雪崩式增长的击穿过程要缓慢得多,而且随着击穿过程的开始电子温度会从平衡温度快速下降。     

放射性物质^(137)Cs对微波大气击穿特性的影响北大核心CSCD

针对现有的放射性物质探测手段有效距离近和效率较低等局限性,考虑到高功率微波(HPM)良好的空间辐射特性,研究放射性物质对微波大气击穿特性的影响,以实现利用HPM远距离探测放射性物质的设想。阐释了微波脉冲等离子体击穿原理和自由电子对击穿特性影响,分析了放射性物质^(137)Cs射线产生自由电子的过程,在此基础上分析了HPM大气击穿时间和击穿阈值。基于HPM大气击穿等离子体实验装置,分别在6000 Pa、7000 Pa和8000 Pa的低气压环境对有、无放射源存在情形开展多次HPM辐照实验。实验结果表明:放射源的存在降低了约10%的HPM大气击穿阈值,缩短约50%的击穿时间。     

重复频率微波脉冲大气击穿延时与电离率

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次脉冲击穿延时和后续脉冲击穿延时,研究结果发现首次脉冲击穿延时在脉宽范围内大致均匀分布,后续脉冲击穿延时波动性较小。根据击穿延时数据对电离率进行了分析,指出在重复频率条件下,初始电子密度较高,电子密度分布不适用指数分布,无法用延时数据标准差对电离率进行估计。提出了一种用重复频率脉冲击穿延时数据计算电离率的方法,并将计算结果与仿真结果进行了对比,结果显示,二者有较好的对应关系。     

介质表面附近微波大气击穿的理论研究

将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解, 对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究. 分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究. 一维计算结果发现在n_e = 0, j = 0两种边界条件下, 虽然形成的等离子体密度分布相差较大, 但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大. 初始电子数密度厚度为20 mm的条件下, 得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况. 二维计算结果发现, 由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强, 电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体, 当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时, 波导中心介质表面处微波场强减小, 等离子体区域沿着介质表面向两侧移动. TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值, 因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.     

高功率微波大气击穿区域分布

大气击穿是高功率微波(HPM)大气传输研究最主要的内容。一方面高功率微波辐射天线近场以振荡场形式存在,在某些局部点形成场强的峰值分布,导致天线近场击穿、天线口径面介质击穿等一系列复杂的问题;另一方面,随着单台微波源功率的大幅提高和功率合成技术的发展,天线远场区的大气击穿问题越来越突出。如何判别是否存在大气击穿,如何确定判断的依据,都是需要解决的问题。论文提出依据击穿阈值和天线辐射场与高度关系曲线的变化规律进行判断。当HPM初始辐射场小于该区域大气击穿阈值,且上述两条曲线之间存在交点,即说明存在HPM辐射天线未击穿而传输路径近场区或远场区可能满足大气击穿条件的情况,这一现象也在相关实验中得到了证实。     

基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究

综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型,基于高功率微波混合大气传输模型,提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型,定义了单脉冲高功率微波击穿阈值.理论研究结果表明:考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后,大气击穿时对应的等离子体频率明显变大;大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大,在30-60 km区域存在一个极小值.开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究,得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值,且与理论结果一致性较好.     

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。     

高功率微波脉冲大气传输的一些规律

 推导了高功率微波（HPM）脉冲大气击穿阈值功率公式，估计了脉冲从地面向上传输的潜行时间。数值模拟了HPM大气传输的物理图象和潜行时间的变化。     

同轴电缆头和转接头HPM击穿现象初步分析

介绍了同轴电缆头和转接头的HPM击穿实验研究方法,给出了几种电缆头和转接头微波击穿功率随微波频率、脉冲宽度、重复频率和脉冲持续时间变化规律的实验研究结果。结果表明:微波击穿发生在同轴电缆头连接处,是电缆接头沿面滑闪,且击穿功率随同轴电缆及转接头尺寸的减小而降低;击穿功率也随微波脉冲宽度（30 ns～1 μs）的增大而减小,并且在100 ns附近有一拐点;在低重复频率（1～1000 Hz）下,重频对击穿功率的影响不大;微波频率在2.856～9.37 GHz变化时,微波频率对击穿功率的影响不明显;微波脉冲宽度较窄时（几十ns以下）,击穿功率随持续时间变化不大,脉冲宽度较宽时（百ns以上）,击穿阈值随持续时间的增大而下降。     

高功率微波大气击穿的光学诊断

 介绍了一种高功率微波在波导内击穿光电诊断测量装置,测得了大气击穿的光电信号,获得了HPM击穿形成的等离子体衰减常数,对击穿点向源方向移动的猜想进行了实验验证。同时进行了短脉冲HPM在自由空间击穿实验,获得了HPM在自由空间击穿的系统光学图像,分析了击穿的放电特征。     

一种提高相对论返波管功率容量的方法

 对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究,发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射,引起了金属表面的射频击穿,通过研究分析,提出采用分布反馈式谐振反射器,并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明,在微波功率2 GW时,改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm,慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果,微波功率和脉宽得到显著提升。     

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。