场致发射的温度效应对微波管爆炸电子发射的影响

为研究场致发射的温度效应对微波管中爆炸电子发射过程的影响,在对比分析低温条件下的场致发射电流密度Fowler-Nordheim（FN）和一般的电子发射电流密度积分公式的基础上,利用细长圆柱形微凸起模型,重点考虑焦耳加热和热传导两个因素,编程计算得到了微凸起内部的温度分布和不同位置处温度随时间的变化。结果表明:场致发射的温度效应是一个重要影响因素,考虑温度对场致发射的影响后,微凸起内部各点的温度随时间呈非线性增长,且增长速率越来越大;在微波电场强度较弱时,若不考虑场致发射的温度效应而直接用FN公式表示的电流密度代入计算,会使爆炸发射延迟时间变短;当微波电场很强时,温度效应对爆炸发射延迟时间的影响则较小。     

大气压双频氦气放电等离子体特性的数值研究

用一维流体模型研究了大气压双频氦气放电等离子体的特性。数值模拟的结果表明,在单、双频放电中,随着应用电压的增加,电子密度和放电电流都增加。相对于单频放电,双频放电中低频源的耦合效应使得放电中的电流以及电子密度降低。随着低频源电压峰值的增加,电子密度降低,离子通量,电子损失能量以及电子吸收能量均降低;但电子温度和电势随着低频源电压峰值的增加而增加。在相同低频源电压下,随着高频源电压的增加离子流非线性增加。     

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.     

宽气压范围空气中微波击穿电场的计算公式

为了简便快捷地计算微波击穿电场,依据电子扩散模型的基本理论,结合气体放电的基本参量,应用特征扩散长度的概念,给出了适合于规则结构微波部件的击穿电场的计算方法。为避免各种气体参数的不确定性对计算准确度的影响,对等效直流电场与特征扩散长度之间的实验关系进行了拟合,并根据等效直流电场的定义,得出了一个适用于较高气压范围的击穿电场计算表达式。为了将该计算表达式扩展到更低的气压范围,综合考虑了电子扩散模型和基于二次电子发射现象的真空微放电机理,引入了一个合理形式的等效扩散长度,进一步给出了适合于更广气压范围的微波击穿电场的计算表达式,计算结果更符合A.D.Macdonald的实验结果。     

大气压介质阻挡辉光放电脉冲的阴极位降区特性及其影响因素的数值仿真

大气压介质阻挡放电常用于产生低温等离子体,其放电特性已成为当前的研究热点.本文针对大气压氦气介质阻挡放电结构建立了流体数值仿真模型,研究其辉光放电脉冲特性.从发光结构、粒子分布和电场分布等方面说明了该类型放电辉光结构的时空演化过程;分别从电子增长率和电场强度分布两个角度比较和分析了该类型放电中阴极位降区范围的定义,并探讨了发光最强点位置与阴极位降区边界的关系,认为利用电场强度分布来定义该类型放电的阴极位降区范围更加合理,且在电流下降沿内,光强最强点始终处于阴极位降区内部.研究了外施电压、阻挡介质二次电子发射系数γ和N_2含量对间隙电压、电流密度和阴极位降区特性等的影响规律.发现:在二次电子发射系数γ不变时,阴极位降区宽度与电流密度具有负线性相关关系;利用阴极位降区的伏安特性证明了该类型放电属于亚辉光放电靠近正常辉光放电的部分;主要考虑N_2与He的Penning效应时,电流密度和带电粒子密度在一定N_2含量下具有最大值等.     

四阳极直流辉光放电正柱区数值分析

分析了具有中间开窗电极四阳极直流辉光放电装置的氦气放电中阴极与较近阳极间放电正柱区的电子密度、电子温度和等离子体碰撞频率, 及其空间分布随放电气压变化规律。结果表明电子密度在径向上呈类似于抛物线的分布, 而碰撞频率和电子温度在整个放电管内近似均匀分布。探讨了不锈钢阳极座和矩形窗口对这些参数的影响, 为进一步进行装置仿真和实验研究提供参考。     

碳纳米管场致发射中的空间电荷效应

采用微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)方法成功制备以碳纳米管束为单元的场致发射阵列,获得很好的场致发射电流发射特性,在电流密度较大时,发现I-V特性偏离由Fowler-Nordheim公式计算出的结果。采用Electron Beam Simulation(EBS)软件进行模拟分析发现:在电流密度较低时,I-V特性能很好与F-N公式吻合。但碳纳米管尖端电流密度大于106A/cm2时,碳纳米管尖端处的有效电场强度受空间电荷的影响比较明显,进而对碳纳米管的场致发射特性显现出不可忽略的影响,此时碳纳米管的发射电流密度开始受到空间电荷的限制。     

高温超导体超导态的场致发射

高温超导体处在临界温度以下时，能隙会引起体内电子分布的改变。本文在考虑到能隙对体内电子分布影响时，分析了高温超导体的场致发射电流密度和场致发射电子能谱。     

铝丝电爆炸过程的光学诊断

采用100 m和40 m两种直径的铝丝,在不同放电电压下,通过分幅成像技术和光谱诊断方法,对铝丝电爆炸过程放电特性及放电等离子参数进行了诊断。实验研究表明:铝丝电爆炸过程中金属蒸气的二次击穿分为内部击穿和沿面击穿两种类型,较细的铝丝更容易发生内部击穿,发生内部击穿时产生的等离子体具有更好的空间均匀性和对称性,其放电过程具有更高的稳定性和可重复性。通过光谱诊断可知铝丝电爆炸等离子体电子温度在104 K量级,电子密度在1018 cm-3量级。     

大气压低温氦等离子体射流的诊断研究

为了加快低温氦气等离子体射流的工程化进程,通过自主设计的同轴式介质阻挡放电等离子体射流发生器,在放电频率10 kHz,一个大气压条件下产生了稳定的氦气等离子体射流。通过分析不同工况下的电压电流波形可以发现单纯增加氦气体积流量只能小幅的增加电流脉冲幅值,而对放电时间、电流脉冲数的影响不大。增加放电峰值电压时电流脉冲幅值会得到较大幅度增加。通过发射光谱法对大气压氦气等离子射流的活性粒子种类、电子激发温度、电子密度进行了诊断。结果表明,大气压氦气等离子体射流中的主要活性粒子为He Ⅰ原子、N₂第二正带系、N+₂的第一负带系、羟基（OH）,H原子的巴尔末线系（H_α和H_β）与O原子,这表明虽然该试验中使用的氦气纯度已达99.99%,但其中仍残留有少量的空气,同时放电时大气中的空气会被卷吸到放电空间发生电离。还可以发现,主要活性粒子的相对光谱强度随氦气体积流量的增加及放电峰值电压的增大均呈现上涨的趋势。选用He Ⅰ原子的四条谱线对不同试验工况下的电子激发温度进行了计算,得到大气压氦气等离子体射流的电子激发温度在3 500~6 300 K之间,电子激发温度随放电峰值电压与氦气体积流量的增大总体上呈现上升的趋势。但由于反向电场的存在,某些峰值电压可能会出现电子激发温度下降的情况;根据Stark展宽原理对大气压氦气等离子体射流的电子密度进行了计算,发现电子密度的数量级可达1015 cm-3,同时增大峰值电压与氦气体积流量均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的研究对氦气等离子体射流在工程实际中的应用具有重要意义。     

介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研究

通过数值求解一维电子、离子连续性方程和动量方程，以及电流连续性方程，计算了氦气介 质阻挡大气压辉光放电电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布，以及放电电流密度和 绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化. 分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均 匀大气压辉光放电性质的影响. 当外加电压频率足够高时，大量离子被俘获在放电空间，空 间电荷场又引起足够多的电子滞留在放电空间. 这些种子电子使得在大气压下发生汤森放电 ，放电空间结构类似于低气压辉光放电，即存在明显的阴极位降区、负辉区、法拉第暗区和 等离子体正柱 关键词： 大气压辉光放电 介质阻挡 数值模拟 等离子体     

单脉冲电光开关击穿时间延迟及抖动的减小方法

减小单脉冲等离子体电极普克尔盒电光开关击穿时间延迟与抖动问题是提高大口径电光开关性能的关键。利用紫外线照射在阴极上的外光电效应,使阴极产生次级电子发射,形成稳定的初始电子流,在高压脉冲作用下普克尔盒内的初始电子产生快速繁流放电,使盒内氦气击穿。实验证明该方法可以减小开关的击穿时间延迟及抖动,使击穿时间延迟平均下降了36%,平均抖动时间下降88%。     

四针氧化锌制备及其场致发射特性

采用了VS(Vapor-Solid)的方法制备了四针状ZnO,以此作为场致电子发射的冷阴极材料。并对材料进行了扫描电镜(SEM)和X射线粉末衍射(XRD)测试分析,揭示其表面形态和晶体结构。同时将阴极与印刷有荧光粉的阳极板组装成二极管结构场致发射显示屏,并进行了场致发射特性实验。该二极管结构的开启电压为3.6V/μm,其阈值电压为6.6V/μm,相应的电流密度为0.2mA/cm2,并且具有稳定的电流密度和均匀的显示效果。实验证明ZnO是一种优良的场致发射冷阴极材料,具有广阔的应用前景。     

大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究

为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明：介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).     

爆炸电子发射初期阴极表面电场的研究

为了研究二极管爆炸电子发射初始阶段阴极表面复杂的物理现象及规律, 建立了由场致电子发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型,通过自行编程数值求解泊松方程, 考虑了发射出的电子对阴极表面电场的非线性影响,自洽模拟得到了阴极表面电场随时间的变化情况. 模拟结果表明,爆炸电子发射初期,阴极表面电场随时间的增加而呈现出不断振荡的规律, 且振荡幅度越来越小,最终到达一个稳态的值,二极管两极板之间的外加电场越大, 阴极表面稳态电场的绝对值越大;电场增强系数越大,阴极表面稳态电场的绝对值越大. 在整个时间演变过程中,阴极表面的实际电场强度决定着阴极发射的电流密度大小, 反过来阴极发射的电流密度又会影响到阴极表面的电场.     

射频放电阻抗测量用于等离子体诊断研究

利用自行研制的传感器和测量装置,通过对射频放电电压、电流以及其相位角的精确测定,算出放电管的总阻抗,结合放电管的等效电路模型与Godyak等建立的射频放电模型,对射频激励铜离子激光管在氦气中的放电特性进行了研究,得出射频激励铜离子激光器不同气压及电流密度下的等离子体电阻、容抗、鞘层厚度及电子密度 关键词： 射频放电 阻抗测量 等离子体诊断     

针板型大气压氦气冷等离子体射流的二维模拟

大气压冷等离子体射流的传播机理一直是人们研究的一个热点. 本文采用自洽的二维等离子体流体模型, 研究了大气压氦气冷等离子体射流在自身环境气体中以及在介质管中的传播问题. 得到了电子密度、电离速率、空间电场以及电子温度等参量的时空分布规律, 分析了介质管大小以及介质管介电常数对射流放电性质的影响, 得到了一种提高电子密度和射流尺寸的新方法. 关键词： 大气压冷等离子体射流 等离子体子弹 数值模拟 流体模型     

混合场介质表面单边次级电子倍增效应统计

综合考虑发射电子的发射能量、发射角度及微波场的相位分布等因素,运用统计方法,研究了介质表面单边次级电子倍增过程中次级电子数目、瞬时直流场、渡越时间、微波场的沉积功率等次级电子倍增特征物理量随碰撞次数的变化过程,仿真分析了不同夹角、不同反射系数对次级电子倍增的影响。研究结果表明:当倾斜直流场一定时,微波场的反射系数越小,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越大;微波场一定时,当直流电场平行于介质板表面时,直流电场幅值越大,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越大,但当电场强度超过一定值时,次级电子倍增现象不再发生,当直流场垂直介质板表面,直流电场幅值越大,雪崩击穿的延迟时间越长,饱和状态下的次级电子数目越小,幅值超过一定值时,次级电子倍增现象同样不会发生。     

场致爆炸发射阴极表面微凸起热效应的数值研究

研究场致发射电流密度与阴极表面微凸起顶部的温度之间的高度非线性关系,用数值方法计算在外加宏观电场条件下,不同顶底半径比微凸起的热效应.结果表明:当微凸起顶底半径比值不同时,由于微凸起的微观电场增强因子不同,当微凸起顶部温度达到阴极材料的熔点时,微凸起内部温度分布差异显著;当外加宏观电场相同时,微凸起的顶底半径比越小,爆炸发射延迟时间越短;对于顶底半径比确定的微凸起而言,爆炸电子发射延迟时间随外加宏观电场强度的减小而成指数规律增长.     

外粒子源注入下气体放电过程的模拟研究

利用Geant4程序建立外源注入式、低气压气体开关物理模型,通过模拟计算电子增益与极板间电场强度、电子增益与极板间隙距离的函数关系验证了模型的正确性。计算了气体种类、气体压强对电子增益的影响,分析得到形成自持放电所需最小入射电子数,计算结果表明:在相同的气压及电场条件下,氮气的电子增益远大于氦气,这与氦气的高电离能性质相吻合; 随气压增大,电子增益呈非线性增长; 为实现自持放电,外源注入电子数面密度为1×105~2×105 /cm2。