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通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell(PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀情况。结果表明:随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与实验研究

通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell (PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀
情况。结果表明：随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

圆柱形阳极层霍尔推进器磁极溅射数值模拟

通过对空心和实心内磁极的圆柱形阳极层霍尔推进器放电等离子体进行三维PIC放电-溅射模拟,分析了放电功率和阳极附近磁场等对磁极离子溅射的影响。结果表明,实心内磁极的推进器效率较高,在较高电压和高磁场的工况下,空心内磁极圆柱形阳极层霍尔推进器的刻蚀程度有明显减弱。在大功率圆柱形阳极层霍尔推进器设计和研发工作中,应考虑空心阴极效应的优点以及合适的电磁场配比。     

蒙特卡罗模拟在辉光放电鞘层离子输运研究中的应用

利用蒙特卡罗方法模拟氩气直流辉光放电鞘层内离子的运动过程.模拟基于离子与中性原子的电荷转移和弹性散射两种主要的散射过程，考虑了碰撞截面与能量相关和不相关两种情况，在弹性散射中采用了势场相互作用模型和刚性球碰撞两种模型.通过模拟得到不同气压和不同放电电压下离子入射阴极的能量分布和角度分布，并对几种模型的模拟结果进行了比较和讨论. 关键词： 辉光放电 等离子体鞘层 蒙特卡罗模拟     

双阳极霍尔推力器效率及推力的模拟研究

为确定双阳极霍尔推力器中阳极电压分布对推力器效率及推力的影响，采用PIC三维数值模拟对双阳极结构霍尔推力器的放电过程进行了模拟。基于垂直分布的双阳极结构，得到了放电后离子羽流分布以及电子在放电区域的分布。通过对放电状态的模拟，计算得到了不同工况下的推力以及效率。在双阳极结构中第二阳极的电压增加会增大离子能量，但将影响电子约束，而过高的电压将引起电子密度减小。推力随着霍尔电流的增大而增大，但效率会随之减小，导致在提升推力的同时损失效率。     

低气压条件下氢气潘宁放电的模拟分析

为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义. 关键词： 潘宁放电 氢气 粒子模拟 蒙特卡罗     

霍尔漂移对阳极层霍尔等离子体加速器电离效率的影响

以洛伦兹变换方法为基础,分析了阳极层霍尔等离子体加速器中电子的霍尔漂移,结果表明在交叉场中,霍尔漂移并不总是存在的,E/B的比值大于光速时,霍尔漂移将不存在.进一步的分析表明,霍尔漂移也并不总是回旋形式的,不同的电磁场配置以及不同的电子初始能量将带来不同形式的漂移,包括回旋形式,波浪线形式,甚至直线形式.电磁场的配置也决定着霍尔漂移的速度,在很大程度上影响着电子的能量,这就决定了放电时的电离效率.对不同电磁场配置进行数值模拟发现,合理的电磁场比值能够得到更好的电离效率(对于氩,这个数值大约为4×10⁶).不同的气体,根据其电离碰撞截面与电子能量的关系,都有不同的合理比值.     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

用自洽的蒙特卡罗—流体结合模型模拟溅射过程

 采用自洽的蒙特卡罗－流体结合模型对溅射过程进行模拟,以了解等离子体粒子行为与溅射参数的关系。溅射过程包括气体放电和溅射原子传输。对于气体放电,蒙特卡罗部分模拟快电子和快气体原子,而流体部分则描述离子和慢电子。对于溅射原子传输,蒙特卡罗部分模拟溅射原子的碰撞过程,而流体部分则描述溅射原子的扩散和漂移。模拟的结果包括：等离子体粒子的密度和能量分布;不同电离机制对气体原子和溅射原子电离的贡献;不同等离子体粒子对阴极溅射碰撞的贡献;溅射原子的密度分布;溅射场和溅射粒子相对于入射离子能量和角度的分布;溅射原子经碰撞后在整个等离子体区的分布。     

直流辉光等离子体阴极鞘层电子的输运过程

采用蒙特卡罗方法对氦直流辉光放电平板电极等离子体阴极鞘层内电子的输运过程进行了研究。利用实验数据拟合得到的电子与中性粒子的碰撞截面,计算了电子的平均能量及能量分布的空间变化,同时研究了电子的其它参数分布.     

Study on the Relation Between Discharge Voltage and Magnetic Field Topography in a Hall Thruster Discharge Channel

The relation between magnetic field topography and operating voltage is investigated in a 1kW Hall thruster discharge channel in order to focus the ion beam effectively and optimize the performance. The curvature of magnetic field line (α) is introduced to characterize the differences of topologies. The optimized magnetic field distribution under each operating voltage is obtained by experiment. Through the curvature transformation, we find that the area of (α > 1) in the channel gradually decreases with the increase of the operating voltage. In response to the results above, two dimensional plasma flows are simulated employing Particle‐in‐Cell method. The distributions of the electric potential, ion density and ion radial velocity are calculated to understand the important influence of the relation above on ion beam focusing. The numerical results indicate that magnetic field curvature and thermal electric field control the ion beam in the ionization and acceleration zone, respectively. The magnetic field topography and discharge voltage interact with each other and together form the focusing electric field. The ion radial mobility is suppressed effectively and the ion beam is focused to the channel centerline. In addition, for a given voltages, when the area of (α > 1) is larger than the optimal scope, the electric potential lines excessively bend to the anode causing ion over focus; contrarily, the electric potential lines will bend to the exit and defocus ions. All these results suggest the relation between magnetic field topography and discharge voltage is important to the ion radial flow control and performance optimization of the Hall thruster (© 2009 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

正负离子碰撞过程中电荷转移的理论研究

文中用渐近方法，采用未微扰的原子波函数，导出了正负离子碰撞过程中，当离子间的距离很大时，入射离子道与出射共价道之间的交换相互作用的解析表达式。利用该相互作用的解析表达式，并考虑在入射通道里Ｈ－离子核外有两个同科电子的情况，由多通道Ｌａｎｄａｕ－Ｚｅｎｅｒ模型分别计算了低能Ｈ＋＋Ｈ－和Ｄ＋＋Ｈ－碰撞过程中的电荷转移总截面。计算结果与已有的实验数据进行了比较。     

A physical model of the low-current-density vacuum arc

A one-dimensional (1-D) physical model of the low-current-density steady-state vacuum arc is proposed. The model is based on the continuity equations for ions and electrons and the energy balance for the discharge system; the electric potential distribution in the discharge gap is assumed to be nonmonotonic. It is supposed that the ion current at the cathode is generated within the cathode potential fall region due to the ionization of the evaporated atoms by the plasma thermal electrons having Boltzmann's energy distribution. The model offers a satisfactory explanation for the principal regularities of a hot-cathode vacuum arc with diffuse attachment of the current. The applicability of the model proposed to the explanation of some processes occurring in a vacuum arc, such as the flow of fast ions toward the anode, the current cutoffs and voltage bursts, and the backward motion of a cathode spot in a transverse magnetic field is discussed     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

相对论电子束在动态加载等离子体中的自聚焦传输

为了进一步研究相对论电子束-离子通道辐射实验和理论的需要, 研究了相对论电子束入射中性气体以及通过碰撞电离动态加载等离子体实现对高能束流的自聚焦传输过程PIC(particle in cell) 模拟发现, 电子束电离出的离子背景能够实现对电子束的聚焦传输. 但是离子背景横向和纵向的不均匀性对束流的传输特性有显著影响. 在此基础之上, 提出了电子束在横向不均匀离子背景中传输的理论模型, 给出了束流的自聚焦条件.数值计算结果表明, 横向不均匀性会导致电子束的混合相位传输, 使得焦点附近内层电子可能跑到电子束外而被散焦损失, 这与PIC模拟的结果相符. 此外, PIC模拟还发现, 由于电子束的自聚焦, 在焦点处将电离出更多的离子而引起纵向不均匀性, 纵向不均匀性使得碰撞后的低能电子被俘获, 俘获电子效应会大幅降低电子束的传输效率. 但是俘获电子在纵向呈准周期分布, 对传输电子起到静电Wiggler场的作用, 可能实现静电Wiggler场的动态加载. 研究结果对于进一步研究电子束-等离子体系统的实验以及理论模型提出有一定的参考价值.     

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。     

Generation of currents in gases by fast, highly charged ions

It is shown that an exit asymmetry of the electrons and recoil ions formed during ionization of atoms in elementary collision events with fast, highly charged ions can give rise to macroscopic electron and recoil ion currents during the bombardment of a gaseous target by a beam of fast, highly charged ions. Zh. Tekh. Fiz. 68, 20–23 (September 1998)     

氮气开关流柱形成过程的理论研究

使用蒙特卡罗-粒子模拟方法对氮气开关中的流柱形成过程进行模拟, 并结合计算结果对其进行理论分析. 发现在流柱击穿发生前(即空间电荷场远小于本底电场), 等离子体的电离频率、电子平均能量及其迁移速度等都近似为常数, 因此可以解析求解电子数密度方程对等离子体的演化行为进行分析. 在击穿发生后, 随机碰撞过程会破坏初始等离子体区域分布的对称性, 并出现分叉的等离子体区域结构. 在放电过程中, 随着等离子体密度增加, 其内部基本保持电中性且电场不断减小, 靠近阴阳极两端电荷分离产生的净电荷密度不断增加, 场强也不断增加, 且靠近阳极端的电荷密度(绝对值)和场强都大于阴极端. 通过改变极板间电压发现, 平均电子能量随极板间场强增加而增加, 电子迁移速度随着场强近似线性增加, 电离频率随场强的变化快慢介于E⁴与E⁵之间.     

负氢离子源中电子能量沉积三维数值模拟研究

本文理论计算了多峰离子源永磁体, 采用二体碰撞模型(binary collision)处理电子之间的库仑碰撞, 采用空碰撞(null-collision)方法处理电子与氢元素相关粒子, 开发了全三维PIC-MCC模拟算法, 并利用该算法模拟了多峰离子源中电子沉积过程, 分析了多峰磁场对电子的空间和能量分布影响, 结果显示: 电子的非均匀分布起源于高能电子在引出区的B× ▽B漂移.