电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流     

飞秒强激光与欠稠密等离子体相互作用中的二次谐波辐射

对超短超强激光脉冲 (45fs,6× 10 17W /cm2 )与光致电离氦气形成的欠稠密等离子体相互作用中的二次谐波辐射进行了实验研究。测量了多种打靶强度的飞秒激光脉冲与不同气体密度氦气相互作用的二次谐波光谱 ,得到在欠稠密等离子体中二次谐波辐射与打靶激光能量的关系 ,分析了产生二次谐波辐射产生的物理机制 ,在考虑了强短脉冲激光电离气体产生的等离子体径向电子密度梯度因素 ,基于非线性作用过程的理论预期曲线与实验结果较好地吻合     

径向渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对径向渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像，得出了输出微波功率与提取口大小、腔的径向间距、场模式之间的关系。模拟得到了峰值功率约500MW，频率5GHz的TEM₁波，起振时间15ns，峰值效率大于30%。     

磁绝缘线振荡器内气体碰撞电离数值模拟

针对气体碰撞电离过程,介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法,利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块,将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中,模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明:当He气密度较低时,电离的正离子由于较重无法自由移动,形成了正离子通道,可以有效中和电子束空间电荷场,有利于电子束传输和群聚,提高了束波互作用效率,微波输出功率得到了明显提高,起振时间也有所缩短;当进一步增加He气密度时,电离碰撞增强,电子和离子数目会雪崩式增长,电子束由于碰撞增强而导致能散度增大,其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应,反而不利于电子束的群聚和共振,从而导致输出微波功率降低乃至截断,起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致,但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持,二极管最终将闭合。另外,还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示,同压强情况下,填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。     

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明：三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波，微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距，随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV，电流4kA的条件下，模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW，频率5GHz，起振时间约3.5ns，峰值功率效率大于37%。     

110 GHz微波电离大气产生等离子体过程的理论研究

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解,对110 GHz微波电离大气产生等离子体的过程进行了理论研究. 研究发现:在高气压下等离子体成丝状;中等气压下等离子体先成丝状,在向微波源移动的过程中逐渐向连续的等离子体区域过渡;低气压下电离产生连续的等离子体区域. 不同气压下等离子体区域都向微波源方向移动. 初始电子数密度分布只影响放电初始阶段的等离子体区域形状,不会影响成丝与否. 等离子体区域在垂直于电场方向和平行于电场方向的移动规律不同. 当电场平行于计算平面时,由于沿着电场方向等离子体两端存在强场区,等离子体区域被拉长,在较低的气压下会出现等离子体丝阵. 关键词： 110 GHz微波 大气电离 等离子体丝阵     

强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向散射驱动光子加速机制

通过二维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向光子加速机制.该机制利用强激光在亚临界密度气体传输过程中的电离效应产生在纵向和横向上密度分布不均匀的电子等离子体.在纵向上,入射激光电离氦气产生一个陡峭的电子密度前沿分布.在密度前沿处,入射激光与电子等离子体波作用发生近前向散射.散射光频率较激光频率增大,在频谱中产生了第一个特征峰.在横向上,密度不均匀造成电子等离子体波具有不同的相速度并与入射激光相互作用,使入射激光发生近前向散射,在频谱中产生了第2个特征峰.由于密度分布的不均匀性较电子等离子体波的密度扰动大得多,因此基于微扰理论的散射模型和色散关系,如受激拉曼散射,无法解释频谱中两个特征峰的出现.进一步研究发现:在密度不均匀的情况下,入射激光、电子等离子体波和散射光三者之间仍满足动量和能量守恒的三波耦合关系.这能够解释两个特征峰对应的频率和强度增长过程.该研究对于强激光在亚临界密度气体传输过程中的频谱演化具有重要参考意义.     

充填不同气体相对论返波管特性的PIC-MCC模拟

讨论了PIC-MCC方法的基本原理以及在UNIPIC软件中的编程实现,并用该软件模拟了充填不同种类气体在不同气压下相对论返波管的气体电离过程,讨论了所产生的等离子体对电子束的传输以及波束相互作用的影响.给出了返波管输出功率、频率和起振时间随气体种类和气压等参数的变化情况.模拟结果表明,电离产生的阳离子是返波管性能改善的原因,而腔内滞留的低能电子是破坏返波管振荡而引起脉宽缩短的重要因素. 关键词： 蒙特卡罗碰撞 粒子模拟 高功率微波 相对论返波管     

温稠密铝等离子体物态方程及其电离平衡研究

温稠密物质的物性参数在惯性约束聚变能源、Z箍缩等高能量密度物理领域的实验结果分析和物理过程数值模拟等方面有着重要的应用价值.本文应用部分电离等离子体模型,在理想自由能的基础上考虑了库仑相互作用、排斥体积作用和极化作用等非理想特性,开展了温稠密等离子体物态方程和电离平衡的研究.计算了温稠密铝等离子体的压强等物态方程数据和在密度为1.0×10^-4-3.0 g/cm^3,温度为1.0×10^4-3.0×10^4 K范围内的粒子组分.计算结果显示,铝等离子体的平均电离度在临界密度区域内随着密度的增加而突然增大.根据非理想Saha方程中有效电离能这一关键参数,分析了铝等离子体平均电离度在临界密度区域内随密度迅速增大的现象.     

充中性气体相对论返波振荡器的粒子模拟研究

 用PIC粒子模拟方法研究了充中性气体相对论返波管的物理机制，成功模拟了电子束碰撞充入返波管中的中性气体电离产生等离子体的过程，在电子束传输的路径上形成离子通道，有效中和电子束径向空间电荷力，有利于电子束的传输及束波相互作用产生微波。增加中性气体密度，返波管的输出频率明显上移，其辐射的功率和效率比相同的真空器件也有明显的提高。     

Beam-plasma discharge in the propagation of a long-pulse relativistic electron beam in a medium-pressure rarefied gas

A theoretical model is given, along with a numerical analysis of the evolution of beam-plasma discharge in the propagation of a long-pulse relativistic electron beam in a rarefied gas at medium pressure. It is shown that the self-stabilization of beam-plasma discharge as a result of longitudinal inhomogeneity of the density of the discharge plasma makes it possible for the beam to traverse the beam chamber with relatively low total energy losses, including ionization losses and energy losses in the generation of oscillations. During the dissociative recombination of electrons and ions of the discharge-driven plasma, heat is released and spent in raising the temperature of the gas. The investigated collective-discharge mechanism underlying heating of the gas for a relativistic beam can be more efficient than the classical heating mechanism due to ionization losses of the beam in pair collisions of its electrons with gas particles. Zh. Tekh. Fiz. 67, 94–98 (May 1997)     

Ionization-induced electron trapping in ultrarelativistic plasma wakes

The onset of trapping of electrons born inside a highly relativistic, 3D beam-driven plasma wake is investigated. Trapping occurs in the transition regions of a Li plasma confined by He gas. Li plasma electrons support the wake, and higher ionization potential He atoms are ionized as the beam is focused by Li ions and can be trapped. As the wake amplitude is increased, the onset of trapping is observed. Some electrons gain up to 7.6 GeV in a 30.5 cm plasma. The experimentally inferred trapping threshold is at a wake amplitude of 36 GV/m, in good agreement with an analytical model and PIC simulations.     

产生惰性气体高价离子的新方法

此文介绍了一种产生惰性气体高价离子的新方法。在飞行时间质谱仪（ＴＯＦ－ＭＳ）上，把聚焦后的３０８ｎｍ激光掠射到不锈钢栅网上，产生超短脉冲的电子束，利用这种电子束来轰击惰性气体（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ），产生高价离子，并给出了这些离子的飞行时间质谱。这些高价离子可能是电子逐次电离气体原子产生的。这种方法可作为飞行时间质谱的一种理想的“软电离”的“点”离子源     

非磁化等离子体填充的相对论返波管的粒子模拟

 对非磁化等离子体填充的相对论返波管进行了粒子模拟分析，结果表明在一定的等离子密度范围内，观察到电子注的良好传输，得到了高功率电磁波输出。等离子体密度变化过程中，输出存在有峰值功率点。通过粒子模拟清晰地观察到注、等离子体及波相互作用的物理过程，并且模拟结果解释了部分实验现象。     

Anode plasma structure in a gas discharge with neutral density depleted by ionization

We consider the anode plasma structure in a gas discharge with density of neutral atoms (neutrals) depleted by strong ionization. We obtain analytical solutions of the quasi-neutrality equation for the potential distribution and a condition for the existence of anode plasma in the one-dimensional case for arbitrary potential dependences of the neutral depletion frequency and the electron density. We consider the special cases of a constant neutral depletion frequency, ionization by Maxwellian electrons, and ionization by an intense electron beam under the conditions of collisionless ion motion and Boltzmann thermal electron distribution. The solutions for the first two cases at zero depletion parameter, i.e., at constant gas density, match those obtained in [1] by a power series expansion. In the case of ionization by Maxwellian electrons, the formation of anode plasma at reasonable working-gas flow rates is shown to be possible only at a fairly high electron temperature (if, e.g., xenon is used as the working gas, then T _e ≥ 5 eV). Steady-state solutions of the quasi-neutrality equation under ionization by an intense electron beam exist only if the ratio of the electron beam density to the maximum thermal electron density does not exceed a certain limiting value.     

强流电子束碰撞电离背景气体研究

利用数值计算与粒子模拟两种方法,结合实际的实验数据,对高功率微波二极管中相对论电子束与背景气体相互作用碰撞产生的等离子体密度进行了研究.研究结果表明：碰撞产生的等离子体密度数值计算结果与粒子模拟结果基本一致,背景气压在0.01 Pa—0.05 Pa时,碰撞产生的等离子体密度在4—12×10⁹cm^-3,即便在考虑电子离子复合的情况下,数值计算结果与粒子模拟结果依然符合得很好.另外,粒子模拟结果表明：随着气压的增加,等离子体密度呈现先增大再减小然后又逐渐增大的过程, 关键词： 相对论电子束 等离子体 数值计算 粒子模拟     

Effects of secondary electron emission on plasma characteristics in dual-frequency atmospheric pressure helium discharge by fluid modeling

A one-dimensional(1D) fluid simulation of dual frequency discharge in helium gas at atmospheric pressure is carried out to investigate the role of the secondary electron emission on the surfaces of the electrodes. In the simulation, electrons,ions of He~+ and He_2~+, metastable atoms of He*and metastable molecules of He*_2 are included. It is found that the secondary electron emission coefficient significantly influences plasma density and electric field as well as electron heating mechanisms and ionization rate. The particle densities increase with increasing SEE coefficient from 0 to 0.3 as well as the sheath's electric field and electron source. Moreover, the SEE coefficient also influences the electron heating mechanism and electron power dissipation in the plasma and both of them increase with increasing SEE coefficient within the range from 0 to 0.3 as a result of increasing of electron density.     

Beam-Plasma Heating Model

A one-dimensional ionization and heating model is applied to results of several electron-beam-plasma interaction experiments. Beam energy is deposited resistively in the plasma at a rate ?j2, where j is the return current density and ? the plasma resistivity both classical and anomalous due to ion acoustic or e-e-mode turbulence. Principal energy losses include ionization, line radiation, inelastic electron impact excitation, bremsstrahlung and radiative recombination. The level of ionization and plasma heating are computed as a function of neutral gas pressure, beam rise time, pulsewidth and current density, and resistivity model. Plasma dynamics and kinetic effects such as expansion and end loss are not explicitly included in the model.     

静电探针测量强流电子束电离气体产生的等离子体密度

 用电离理论和核物理学中讨论电子束通过介质后的能量损耗方法分别估算了强流电子束电离中性气体产生的等离子体的密度。在实验中将静电探针应用于测量强流电子束电离氮气产生的等离子体的密度,得出等离子体密度随气压变化的曲线。实验结果表明在1～15帕气压范围内,等离子体密度在量级,与理论结果相符,证明静电探针用于诊断强流相对论电子束电离中性气体产生的等离子体的密度是可行的。