微波器件微放电阈值计算的快速单粒子蒙特卡罗方法

为了计算微波器件的微放电阈值,提出了一种快速单粒子蒙特卡罗方法.该方法对二次电子出射能量、出射角度和相位等参数进行随机处理,结合四阶龙格库塔法和Furman模型模拟了电子运动和二次电子发射系数,并以多次连续碰撞的二次电子发射系数的算数平均值作为微放电效应发生的判据.以平板传输线横电磁模式为研究对象,分别采用快速单粒子蒙特卡罗方法、统计模型、传统蒙特卡罗方法以及粒子模拟方法计算其微放电阈值和敏感区域.计算结果表明,该方法不仅具有与统计模型和粒子模拟方法相当的计算精度,而且比统计模型方法的适应性更强,比传统蒙特卡罗方法的稳定性更好,比粒子模拟方法的计算效率高几十倍以上.     

微波器件微放电阈值功率自适应扫描方法

传统的粒子模拟软件在获得微放电阈值时需要进行多次微放电模拟,而且不具备自动功率扫描功能,在不考虑电子运动所产生的自洽场的情况下,提出了一种微波器件微放电阈值功率自适应扫描方法,对同一微波器件中的电磁场只计算一次并重复利用,改变输入功率,获得不同功率下的粒子数目变化的趋势,结合阈值功率判断方法,进而能够快速获得微放电阈值。首先,采用MSAT粒子模拟软件计算单位功率下微波部件中的电磁场分布,接着利用蛙跳法求解粒子运动轨迹,然后结合二次电子发射模型确定出射粒子数目。在微放电模拟过程中对粒子数目曲线进行分析,建立微放电阈值判据方法,根据二分法改变输入功率使得粒子模拟软件在给定初始功率后自动给出微放电阈值。以微波阶梯阻抗变换器与同轴腔体滤波器为研究对象,采用该方法分别计算其微放电阈值并与实验结果进行对比,结果表明,该方法具有准确性。     

辉光放电等离子体源离子注入的蒙特卡罗模拟

用蒙特卡罗方法，模拟计算了辉光放电等离子体源离子注入平面靶表面的能量分布和入射角分布。研究了靶室不同气压和不同温度下能量分布和入射角分布的变化。     

蒙特卡罗法计算无序激光器的阈值

提出了计算无序激光器阈值增益的模型,提出了已知平均自由程和散射强度分布得到分布函数及相应的随机变量的方法.对各向同性的光散射,导出了各分布函数,并在每次散射中得到相应的随机变量.运用蒙特卡罗法模拟光子在无序介质中的随机行走,得到了无序激光器的阈值.讨论了阈值增益与光子平均自由程、增益区半径、增益区深度、非增益区光吸收系数的关系,提出了降低阈值的方法.理论结果与实验数据是符合的. 关键词： 激光物理 阈值 蒙特卡罗 散射     

电子回旋共振放电中电子与微波互作用特性的粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模拟

对电子回旋共振（ECR）放电电离过程中的电子与微波互作用特性进行了理论分析与数值模拟.采用粒子模拟（PIC）方法描述带电粒子与微波的互作用,采用蒙特卡罗碰撞（MCC）方法描述粒子间碰撞过程及带电粒子与边界的相互作用.编写了准三维的PIC/MCC数值模拟程序,并对放电过程中电子能量与微波场随时间、空间的演化进行了数值诊断. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗方法 电离     

气体放电阴极鞘层氩离子的自洽蒙特卡罗模拟

建立了气体放电阴极鞘层离子的自洽蒙特卡罗模拟模型,考虑了离子与中性原子的电荷交换碰撞和弹性散射,用到了精确依赖于离子能量的电荷交换和动量输运截面。模拟了氩离子在阴极鞘层中的运动,得到了不同气压下自治电场分布,离子的能量分布和角分布,发现:离子由鞘层边界向阴极运动过程中,离子能量分布的高能部分逐渐增大,角分布向小角度部分压缩,鞘层中的强电场加速和聚焦了离子;在鞘层边界附近的电场呈非线性。     

多载波微放电阈值的粒子模拟及分析

多载波微放电阈值的准确分析对于空间大功率微波系统的长期可靠性至关重要.近年来,一种源于多载波包络周期间少量剩余电子累积的"长周期"微放电机制引发广泛关注.国内外研究者普遍认为,相对源于单个周期内电子累积的"周期内"微放电,"长周期"微放电应该被优先激发、具有更低的阈值.但依据长周期微放电判据分析所得的阈值显著高于实验结果.针对这一问题,本文采用与实验系统可比拟的微放电判据,在相同多载波信号激励、相同微波部件条件下,对微放电的演化过程进行了粒子模拟,分析了多载波微放电、特别是周期内微放电的行为特性和发生条件,有效地解释了实验结果.本文的粒子模拟结果表明,给定微波部件被优先激发的多载波微放电类型取决于载波频率的配置,长周期微放电并非一定被优先激发,这是导致基于长周期微放电判据分析所得阈值显著高于实验结果这一问题的原因所在.以上结论对于空间大功率微波部件的多载波微放电全局阈值评估和抑制设计具有指导意义.     

同轴传输线微放电的统计理论稳态建模及敏感区域计算

为准确有效地预测微波器件的微放电阈值,提出了一种可以同时考虑同轴结构微放电过程中单边与双边碰撞的统计理论稳态模型.考虑到同轴结构中场分布的非均匀性以及二次电子的出射随机性,采用微扰法近似推导电子轨迹表达式,并基于电子出射速度与渡越时间之间的隐式关联性,构建用于计算同轴结构内、外导体处电子渡越时间概率分布的联合概率密度函数.通过电子出射相位分布的稳态假设,推导用于描述同轴结构中微放电倍增过程的稳态积分方程组,并提出一种通用的联立迭代求解方法.采用稳态模型分别计算银、铜、铝与阿洛丁等工程常用镀膜材料的同轴传输线微放电敏感区域,并分析了同轴传输线径比对微放电阈值的影响.与欧空局的微放电实验结果对比表明,稳态模型能够准确有效地计算同轴传输线的微放电阈值,同时发现平行平板与同轴结构微放电的敏感曲线之间存在显著差异.研究提供了一种精确有效的同轴传输线微放电阈值分析方法,并为实际工程中"免微放电"微波器件的设计与优化提供参考与依据.     

光学方法研究介质阻挡放电中的微放电特性

首先用真空光电倍增管测量了斑图模式大气压介质阻挡放电的总光信号 ,并通过在电路中串联小电阻的方法测量了放电的电流信号。结果发现 ,两种方法所测得的信号在幅度和位置上存在严格的一致性 ,说明可以利用光学方法测量介质阻挡放电的电流信号。采用光学方法测量了介质阻挡放电中的微放电通道的时间特性。本工作所得到的结果对于介质阻挡放电的时空动力学研究具有重要意义 ,同时对气体放电研究具有一定的参考价值。     

Three-dimensional simulation method of multipactor in microwave components for high-power space application

Based on the particle-in-cell technology and the secondary electron emission theory, a three-dimensional simulation method for multipactor is presented in this paper. By combining the finite difference time domain method and the panicle tracing method, such an algorithm is self-consistent and accurate since the interaction between electromagnetic fields and particles is properly modeled. In the time domain aspect, the generation of multipactor can be easily visualized, which makes it possible to gain a deeper insight into the physical mechanism of this effect. In addition to the classic secondary electron emission model, the measured practical secondary electron yield is used, which increases the accuracy of the algorithm. In order to validate the method, the impedance transformer and ridge waveguide filter are studied. By analyzing the evolution of the secondaries obtained by our method, multipactor thresholds of these components are estimated, which show good agreement with the experimental results. Furthermore, the most sensitive positions where multipactor occurs are determined from the phase focusing phenomenon, which is very meaningful for multipactor analysis and design.     

介质单边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对介质单边二次电子倍增现象,理论分析给出了其动力学方程、二次电子初始能量与角度分布,结合二次电子发射的材料特性,研究了二次电子倍增的理论预估敏感区间。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;采用固定时间步长并考虑电子束动态加载饱和效应的细致蒙特卡罗方法,研究了二次电子数目、直流场、射频场、介质表面沉积功率、电子放电功率、二次电子碰撞能量及电子渡越时间等二次电子倍增特性物理量的变化过程,并且讨论了初始电流及二次电子倍增工作点对二次电子倍增整个过程的影响作用,得出了二次电子倍增存在初始阈值发射电流密度的结论。     

腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式瞬态特性对比

为评估高阶模式二次电子倍增对加速器射频腔动态建场过程的影响,采用蒙特卡罗与粒子模拟相结合的方法对金属无氧铜腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式的瞬态演化及饱和特性进行了数值模拟对比研究.研究结果表明:二次电子倍增过程中,二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间呈现以指数形式快速增长后趋于饱和振荡的物理规律;相对一阶模式,三阶模式的饱和值更低且上升时间更长.放电电流存在延时现象,由此引发了二次电子倍增过程中部分充电现象的出现.统计发现平均放电功率等于平均沉积功率,三阶模式的放电功率大约是一阶模式1%的水平,由此判断加速器腔体动态建场过程中高阶模式的影响较小.二次电子倍增过程中,一阶模式呈现单电子束团加速运动特性,而三阶模式则呈现加速/减速/加速及多电子束团相向运动的复杂特性;二次电子倍增进入饱和后,三阶模式的空间电荷效应明显弱于一阶模式.     

磁绝缘传输线振荡器中次级电子倍增效应的高模分析

以磁绝缘传输线振荡器(MILO)中次级电子倍增效应物理图像为基础,对MILO中发生次级电子倍增效应的各阶共振模进行了计算和分析。结果表明：与基阶共振模相比,高阶共振模发生次级电子倍增效应的敏感区域要小得多,对次级电子倍增效应起主要作用的是基阶共振模;减小或抑制次级电子倍增效应,主要应考虑控制基阶共振模的电子倍增作用。     

刻周期半圆弧槽窗片对次级电子倍增效应的抑制

为了抑制高功率盒形窗内的次级电子倍增效应,研究了一种刻周期半圆弧槽窗片结构. 通过对槽内电场进行分析,证明了半圆弧状槽可以有效避免尖锐边界的局部场增强效应. 利用蒙特卡罗随机算法对槽内的次级电子倍增效应进行数值模拟,跟踪次级电子的轨迹及发展趋势,获得了不同槽宽所对应的抑制次级电子倍增最低电场强度. 讨论了法向电场对半圆弧槽抑制次级电子倍增的影响. 该结构有望在高功率速调管中获得应用. 关键词： 盒形窗 半圆弧槽 次级电子倍增 蒙特卡罗模拟     

Investigation of multipactor breakdown in communication satellite microwave co-axial systems

Multipactor breakdown or multipactor discharge is a form of high frequency discharge that may occur in microwave components operating at very low pressures. Some RF components of multi-channel communication satellites have co-axial geometry and handle high RF power under near-vacuum conditions. The breakdown occurs due to secondary electron resonance, wherein electrons move back and forth in synchronism with the RF voltage across the gap between the inner and outer conductors of the co-axial structure. If the yield of secondary electrons from the walls of the co-axial structure is greater than unity, then the electron density increases with time and eventually leads to the breakdown. In this paper, the current due to the oscillating electrons in the co-axial geometry has been treated as a radially oriented Hertzian dipole. The electric field, due to this dipole, at any point in the coaxial structure, may then be determined by employing the dyadic Green’s function technique. This field has been compared with the field that would exist in the absence of multipactor.     

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.