氧负离子解吸附过程HPM大气击穿弛豫时间分析

基于全局模型,引入氧负离子解吸附过程,完善了重复频率高功率微波脉冲弛豫模型,理论研究了重复频率高功率微波脉冲大气击穿弛豫过程,数值模拟了不同附着频率、解吸附频率以及初始电子浓度条件下,弛豫过程电子浓度随时间的变化规律。结果表明:弛豫过程电子浓度变化分为快衰减和慢衰减两个阶段;发现氧负离子的引入明显延缓了弛豫过程后期电子的衰减;解吸附频率与附着频率对弛豫过程有着相反的影响,解吸附频率越高,慢衰减阶段的电子浓度越高,快衰减阶段电子浓度变化不明显;附着频率越高,快衰减阶段电子浓度变化越剧烈,慢衰减阶段的电子浓度越低;初始电子浓度越大,慢衰减阶段电子浓度变化越剧烈。     

微波击穿大气电子温度与电子密度依存关系

给出了描述高功率微波脉冲大气非线性传输及微波大气等离子体特征演化的方程组,并在以微波群速度运动的局域坐标系下完成程序编制。据此模拟分析了高功率微波大气长程非线性传输及自产生大气等离子体的基本物理过程,给出了在击穿建立过程中,电子数密度增长与电子温度升高之间的关系。模拟结果表明:由于大气层中本底自由电子数密度较低,高功率微波脉冲到达时会迅速地将大气中现有的自由电子加热至平衡温度,与之相比导致电子数密度雪崩式增长的击穿过程要缓慢得多,而且随着击穿过程的开始电子温度会从平衡温度快速下降。     

重复频率高功率微波脉冲的大气击穿

 理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性,推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度,数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下,大气击穿时,透射过去的脉冲个数与微波功率的关系。模拟结果表明：当微波脉冲参数一定时,压强越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿;当压强一定时,脉宽越宽,微波频率越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿。     

微波脉冲大气击穿临界场强估计

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数,发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现,微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数,由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法,并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。推导了脉冲击穿概率的估计公式,并对估计量的性能进行了分析,随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明,在一定范围内,重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比,能用于估计脉冲击穿概率,进而给出击穿临界场强。     

高功率微波作用下O-离子解吸附产生种子电子过程

种子电子是高功率微波大气击穿的根源, 研究高功率微波大气击穿时, 一般假设背景大气中存在种子电子, 此假设在低层大气环境中会给模拟结果带来较大误差. 本文建立了高功率微波强电场作用下O^-离子解吸附碰撞过程物理模型, 基于传统的空碰撞模型, 提出了改进的蒙特卡罗仿真方法, 编写了三维仿真程序, 对高功率微波作用下O^-离子的解吸附过程进行了仿真, 分析了O^-离子平均能量随时间的变化过程以及O^-离子与空气分子的碰撞过程, 得到了不同压强、场强、频率和击穿体积条件下种子电子平均产生时间. 理论与仿真结果表明, 随着频率增大, 种子电子平均产生时间变大, 随着击穿体积、场强以及压强增大, 种子电子平均产生时间变小. 最后, 考虑O^-离子与空气分子解吸附碰撞提供种子电子条件下, 给出了大气击穿时间理论与实验对比结果, 发现高功率微波频率较低时, 该种子电子产生机理可以解释实验结果, 而高功率微波频率较高时, 该机理下种子电子平均产生时间过长而与实验数据不符.     

开放空间重复频率微波脉冲击穿概率理论与实验研究

综合考虑有效初始电子产生理论、雪崩电子击穿理论等过程中的击穿延迟时间,探讨了开放空间微波脉冲的击穿延时概率分布,提出了重复频率微波脉冲击穿概率模型,定义了基于概率模型的微波脉冲击穿阈值。利用S波段微波准光学反射聚焦系统对一定气压大气击穿过程进行了模拟,监测击穿放电发光时刻作为击穿时间,分别在铯137放射源存在与否情况下开展了系列实验。研究结果表明,提高种子电子产生率相较于提高电离率是增大脉冲击穿概率更有效的方法;重复频率过程中,若存在累积效应,击穿延时概率分布曲线将左移并趋于稳定,击穿后的气体在短时间内容易再次击穿。     

基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究

综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型,基于高功率微波混合大气传输模型,提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型,定义了单脉冲高功率微波击穿阈值.理论研究结果表明:考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后,大气击穿时对应的等离子体频率明显变大;大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大,在30-60 km区域存在一个极小值.开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究,得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值,且与理论结果一致性较好.     

重复频率脉冲大气放电中氮气的振动温度

氮气分子的振动自由度在大气放电低温等离子体中会被高度激发。从振动能级的简谐振子模型和Boltzmann分布近似出发,研究重复频率脉冲放电中振动温度的变化行为。结果表明,决定重频条件下振动温度的主要过程是电子碰撞振动激发和振动-平动弛豫,而在振动能级高度激发的情形下其与氧原子的化学反应也会产生影响。对于振动激发过程,通过跃迁反比相似率推导出的特征弛豫时间与动理学模型符合较好。在振动-平动弛豫中占主导贡献的为干燥大气中的氧原子或潮湿大气中的水分子。当氧原子数密度为1014 cm-3时,若初始振动温度在5000 K,在化学反应过程中振动能量的特征弛豫时间在0.1~1 s量级。     

高功率微波脉冲大气击穿概率研究

高功率微波大气击穿实验中,入射功率在大气击穿阈值附近,即使外界条件相同,大气击穿可能发生也可能不发生。针对这一问题,基于大气击穿机理,将大气击穿分为首个电子出现在击穿区域和高功率微波电场导致雪崩击穿两个过程。针对第一个过程,建立了改进的电子连续性方程,引入平均电子产生率分析大气击穿发生前电子出现的概率问题;针对第二个过程,建立了高功率微波大气雪崩击穿概率模型。综合两个过程,建立了高功率微波大气击穿概率模型,仿真了不同压强条件下大气击穿的概率,并与相关实验数据进行了比对,仿真结论与实验数据吻合较好。     

重复频率微波脉冲大气击穿延时与电离率

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次脉冲击穿延时和后续脉冲击穿延时,研究结果发现首次脉冲击穿延时在脉宽范围内大致均匀分布,后续脉冲击穿延时波动性较小。根据击穿延时数据对电离率进行了分析,指出在重复频率条件下,初始电子密度较高,电子密度分布不适用指数分布,无法用延时数据标准差对电离率进行估计。提出了一种用重复频率脉冲击穿延时数据计算电离率的方法,并将计算结果与仿真结果进行了对比,结果显示,二者有较好的对应关系。     

FDTD方法分析高功率微波对大气的电离与击穿

 应用麦克斯韦方程和电子流体方程,利用时域有限差分方法(FDTD)计算模拟了高功率微波(HPM)对大气的电离与击穿;该方法用瞬时电场代替等效电场,时刻更新大气电离击穿过程中的电离频率和碰撞频率,消除了近似解析法未考虑大气电离击穿过程中电场幅度衰减而引起的误差,计算得到击穿阈值大小随海拔高度的变化趋势与文献所得的变化趋势相吻合,其值略大于近似解析解;并通过仿真计算分析了HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿的影响。     

高功率微波单一气体及混合气体击穿特性

综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程,建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型,编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究,仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程,对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大,而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程,得到了Ar和N2击穿时间,并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验,测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜,大大减小了壁效应的影响,并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。     

高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.     

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.     

高功率微波大气击穿的光学诊断

 介绍了一种高功率微波在波导内击穿光电诊断测量装置,测得了大气击穿的光电信号,获得了HPM击穿形成的等离子体衰减常数,对击穿点向源方向移动的猜想进行了实验验证。同时进行了短脉冲HPM在自由空间击穿实验,获得了HPM在自由空间击穿的系统光学图像,分析了击穿的放电特征。     

Pulsed microwave damage trend of bipolar transistor as a function of pulse parameters

In the present paper we conduct a theoretical study of the thermal accumulation effect of a typical bipolar transistor caused by high power pulsed microwave (HPM), and investigate the thermal accumulation effect as a function of pulse repetition frequency (PRF) and duty cycle. A study of the damage mechanism of the device is carried out from the variation analysis of the distribution of the electric field and the current density. The result shows that the accumulation temperature increases with PRF increasing and the threshold for the transistor is about 2 kHz. The response of the peak temperature induced by the injected single pulses indicates that the falling time is much longer than the rising time. Adopting the fitting method, the relationship between the peak temperature and the time during the rising edge and that between the peak temperature and the time during the falling edge are obtained. Moreover, the accumulation temperature decreases with duty cycle increasing for a certain mean power.     

垂直相交高功率微波大气击穿的理论研究

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, 对垂直相交高功率微波电离大气产生等离子体的过程进行了模拟研究. 对于相干(同频)垂直相交高功率微波束, 只有当初始自由电子出现在(或到达)强场(干涉加强)处, 自由电子才会被加速并与本底气体发生碰撞电离, 在放电的开始阶段, 等离子体区域主要沿着强场区运动, 并逐渐形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域. 这个带状等离子体区域足够长以后, 由于其对电磁波的吸收和反射, 其将等离子体两侧的两束微波分割开. 随着时间的推移, 在等离子体附近的强场区, 不断出现新的等离子体带. 比较发现, 当其他条件相同时, 相干微波束产生的等离子体区域比非相干微波束大. 关键词： 相交高功率微波束 大气击穿