收集极释气对相对论返波管影响的粒子模拟

相对论返波管被认为是最具有应用潜力的高功率微波器件之一.随着输出微波功率的进一步提高,相对论返波管内部包括收集极处的击穿现象越来越严重,最终导致脉冲缩短,成为器件向高功率、高能量方向发展中的最大障碍,也是目前制约其发展的重要问题之一.本文基于自主研发的2.5维粒子模拟软件UNIPIC-2D,采用动态释气模型研究了不同释气系数下相对论返波管收集极释气与电离过程及引导磁场的影响.粒子模拟结果表明,随着电子不断轰击收集极,收集极表面气压升高,并发生气体电离,产生的等离子体沿引导磁场进入慢波结构区域,影响束-波相互作用过程,使得输出功率下降;随着释气系数的增大,脉冲缩短现象越来越明显;在低引导磁场情况下,击穿以及脉冲缩短现象得到一定的缓解.     

磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。     

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.     

电磁辐照金属铝膜材料释气效应研究

为研究空间环境中通用航天器表面覆盖的热控层电磁辐照效应,采用粒子模拟(PIC)和蒙特卡罗(MC)模拟相结合方法,建立了真空环境下电磁辐照航天器热控材料模型,模拟了场致电子发射、次级电子倍增、释气雪崩电离的全过程,并讨论了释气密度对热防护材料表面产生释气电离现象的影响。通过对比不同释气密度下该过程产生的电子和离子情况,获得热防护材料表面释气产生雪崩电离的阈值。模拟结果表明,当铝膜表面气体密度较小时,由于材料表面释气碰撞电离概率偏低而不会发生雪崩电离;只有当释气密度超过阈值时,材料表面释气碰撞电离过程加强,材料表面发生雪崩电离生成等离子体,等离子体吸收电磁波能量,其离子和电子总能量提升,可能对金属铝膜材料造成损伤。     

高功率微波及材料特性参数对沿面击穿的影响

为研究高功率微波及材料特性参数对介质沿面闪络击穿过程的影响,采用自编的1D3V PIC-MCC程序,通过粒子模拟手段,得到了电子与离子数目、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、放电功率、表面沉积功率、激发电离损耗功率、电离频率等重要物理量。结果表明:电离频率随场强增加而增加,达到饱和后缓慢下降,强场诱发的二次电子数目更多导致本底沉积功率增高;电离频率随频率减小而增加,达到饱和后缓慢下降,频率太高会抑制次级电子倍增;因此,低频强场下击穿压力较大;反射引发表面电场下降及磁场增加效应,降低表面场强虽使表面击穿压力下降,但磁场的增加会导致二次电子倍增起振时间缩短,且会增加器件内部击穿风险;圆极化相对线极化诱导二次电子数目更多、本底沉积功率更高,击穿风险增加;短脉冲产生电子、离子总数少,平均能量低,沉积功率低,击穿风险低于长脉冲;脉冲上升时间的缩短和延长,只会提前或推后击穿时间,并不会改善击穿压力;材料二次电子发射率的增加会给击穿造成巨大压力,表面光滑度对击穿过程影响不大;电离频率和电子平均能量随释气压强增加均先增加后减小,低气压二次电子倍增占优,高气压碰撞电离占优。     

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。     

真空表面的绝缘特性

绝缘子的真空表面绝缘特性研究真空下的高压沿绝缘子表面击穿物理过程，称真空表面闪络过程。影响该过程的因素主要包括绝缘材料结构、空间电场分布、表面处理方法、所加电压特征，脉冲宽度等。研究了真空表面闪络过程，有两类理论：二次电子发射崩溃和电子引发极化松弛。SEEA理论以绝缘子表面在电子轰击下发射二次电子为基础，包含了电子诱发脱附和脱附气体离子化，并且对闪络过程产生的影响等过程，对表面闪络现象进行了解释。     

微通道板玻璃的二次电子发射系数的测量

本文对二次电子发射现象,特别是对用作微通道板的玻璃这类绝缘体、半导体材料的二次电子发射现象及其二次电子发射系数的测量作以叙述。 §1二次电子发射现象 当电子以一定的速度轰击物体的表面时,发现有电子从该物体的表面逸出,这些电子的产生称作二次电子发射,这种现象叫做二次电子发射现象。     

多脉冲磁绝缘线振荡器阴极释气电离仿真研究

在磁绝缘线振荡器（MILO）阴极释气电离物理建模技术以及三维自洽运算基础上,研究了残存气体脉冲缩短,并分析了释气电离对多脉冲MILO运行的影响。把多脉冲释气分为脉冲内阴极释气脉间残余气体累积两个部分,研究了不同释气率以及残余气体对整个器件的运行产生影响。计算结果表明,多脉冲运行MILO最主要影响因素是释气后电离产生的正离子,当正离子密度超过发射电子密度时,束波互作用被破坏。     

二次电子对离子束流品质影响的动态研究

基于粒子云网格的计算方法,建立了具有外电路的加速系统模型,模拟了氘离子束轰击靶面产生二次电子的过程,动态地分析了二次电子的产生对离子加速电压的影响以及对氘离子束束流品质和氘离子束轰击靶面能量的影响。结果表明,当有0.06 A的二次电子电流产生时,离子加速电压将会下降45%,从而导致氘离子束束流品质下降,参与氘氚反应的氘离子数减少,相应的氘离子束轰击靶面的能量下降43.8%。     

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。     

高功率微波器件中脉冲缩短现象的粒子模拟

脉冲缩短是高功率微波器件的一个普遍现象，它阻碍了输出微波能量的进一步提高，是高功率微波研究领域中急待解决的问题.以相对论返波管作为研究对象，运用粒子模拟的方法，研究了器件表面的爆炸发射、电子束电压和电流的脉动对输出微波性能的影响，从中得到了一些有益的结论，指出由强电场引起的慢波系统表面的爆炸发射是产生脉冲缩短的重要因素 ，电子束电流和束电压的脉动也会引起脉冲缩短，并提出了相应的克服方法. 关键词： 高功率微波器件 相对论返波管 脉冲缩短 粒子模拟     

沿面闪络流体模型电离参数粒子模拟确定方法

介绍了粒子模拟确定高功率微波介质沿面闪络击穿流体模型相关电离参数的方法.对粒子模拟方法 (包括带电粒子动力学方程、次级电子发射以及蒙特卡罗碰撞模型)和流体整体模型方法 (包括连续性方程和能量守恒方程)做了简介.基于自编的1D3V粒子模拟-蒙特卡罗碰撞程序给出了在高(低)气压、不同气体种类以及不同微波场强和微波频率下流体模型电离参数的粒子模拟结果,包括电离频率、击穿时间、平均电子能量、电子能量分布函数类型.研究结果表明:平均电子能量与电子能量分布函数类型关系不大;中低气压下,电子能量接近Maxwell分布,电子能量分布函数类型对电离参数几乎没有影响;中高气压下,电子能量分布函数类型对电离参数有重要影响,其依赖系数X趋于高阶形式.不同气体的电子能量分布函数类型不同,需要利用粒子模拟对电子能量分布函数类型进行标定.同时,电子能量分布函数依赖系数与微波场强和频率也有关系,其随微波场强增加而增大,随微波频率增加而减小.在给定考察范围(微波场强在7 MV/m以下,微波频率在40 GHz以内),中低气压下,平均电子能量随微波场强增加而迅速增大,电离频率随微波场强增加先增大后降低,平均电子能量随微波频率增加而降低,电离频率随微波频率增加先增加后降低;高气压下,平均电子能量随微波场强增加而缓慢增大,电离频率随微波场强增加而增大,微波频率对平均电子能量和电离频率影响不大.     

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.     

碳纤维阴极的电子发射机制

 建立了金属阴极和碳纤维阴极的电子发射机制模型,发射后的阴极和碳纤维阴极的微观照片证实了模型的正确性。实验结果与分析表明：一种优化的阴极应该具备多种电子发射机制,整个阴极的电子发射更均匀,碳纤维阴极的电子发射不仅具有尖端的场发射,而且伴随着侧向的表面闪络(随纹)。此外和金属阴极相比较,处理后碳纤维阴极具有较慢的等离子体膨胀速度(≤1 cm/μs)并使该实验用微波源具有较宽的微波脉冲输出(≥200 ns)。     

Relativistic X-band BWO with 3-GW output power

Results from a study of a relativistic X-band backward-wave oscillator (RBWO) with 3-GW output microwave power are presented. The RBWO was driven by the high-current electron accelerator SINUS-7. The dependence of radiated microwave pulse duration on microwave power was obtained. Pulse shortening occurring at the higher power levels is probably attributable to explosive electron emission from the slow wave structure (SWS). An increase in the cross section of the electrodynamic structure seems to be a way to increase the microwave pulse duration. Experimental results from a moderately oversized X-band RBWO using a resonance reflector are described. This tube can be operated with a low external magnetic field