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.     

介质表面高功率微波击穿的数值模拟

研究了用于模拟高功率微波条件下介质表面击穿的静电PIC-MCC模型,并通过自行编写的数值模拟程序模拟了真空及不同气压条件下介质表面击穿过程中的次级电子倍增和气体电离等过程.模拟结果发现,在真空及低气压条件下,电子的主要来源是次级电子倍增,电子数量以两倍于入射场的频率振荡;在高气压情况下,电子的主要来源是气体电离. 关键词： 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟 次级电子倍增     

典型放电气体的击穿场强阈值研究

为了研究等离子体产生时的气体击穿特性,利用低气压条件下气体击穿场强阈值模型,分析了He、Ne、Ar、Kr、Xe和Hg蒸汽等6种典型放电气体的击穿阈值随入射波频率、电子温度、气体压强以及气体温度的变化规律。结果表明:气体击穿阈值随气体压强的增大而减小,随气体温度、电子温度和入射脉冲频率的增大而增大。气体压强和入射频率对击穿阈值的影响大于气体温度和电子温度,在所考虑的范围内,气体压强对击穿场强的影响约为100 V/m,入射脉冲频率对击穿场强的影响为50~300 V/m,气体温度和电子温度对击穿场强的影响为20~30 V/m。当考虑气体压强、气体温度以及电子温度等因素的影响时,各种气体的击穿场强阈值产生的变化规律相类似;但考虑入射频率的影响时,不同气体的击穿场强阈值差异很大。在所考虑的典型放电气体中,Xe具有最低的击穿场强阈值,He的击穿阈值最大。     

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.     

低气压下XeCl准分子的形成研究

本工作利用高频介质阻挡放电对较低气压(70～1330 Pa)Xe/Cl_2混合气体中XeCl准分子的形成过程进行研究。通过探测不同Xe/Cl_2混合气压和不同Xe/Cl_2混合比条件下放电等离子体在285～315nm波长范围的荧光发射谱,得到了XeCl准分子在308nm附近的荧光发射以及荧光强度随气压变化曲线。得出该实验条件下生成XeCl准分子的最佳Xe/Cl_2混合比为4:1。     

不同气压下介质表面高功率微波击穿的数值模拟

介绍了用于模拟介质表面高功率微波击穿的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法,并采用该方法模拟研究了氩气环境不同气压下的介质表面高功率微波击穿过程,获得了该击穿过程中粒子数量和电子平均能量的时间变化图像,并得到了击穿延迟时间。数值模拟结果发现:在低气压下,次级电子倍增的作用比较明显,但电子数量在次级电子倍增饱和后的增速较低,击穿延迟时间较长;随着气压的升高,次级电子倍增的影响逐渐变小,气体电离逐渐占主导地位,击穿延迟时间逐渐变短;在高气压下,由于介质表面吸收沉积电子而呈负电性,次级电子倍增消失,击穿延迟时间由气体碰撞电离来决定。     

发光等离子体对6GHz高功率微波的防护性能研究

为研究发光等离子体对高功率微波的防护性能,建立了一维条件下等离子体与高功率微波相互作用的物理模型,并采用数值仿真得到了不同条件下的微波透射效果,分析了发光等离子体对高功率微波的防护性能。随后,实验研究了双层柱状等离子体阵列对6 GHz高功率微波脉冲的透射效果,实验结果与仿真结果相符,说明高功率微波的入射使等离子体产生了非线性效应。实验结果还表明,TE极化时的防护效果要优于TM极化时的防护效果;等离子体击穿场强阈值随电场作用空间的增大而减小;TE极化时等离子体对高功率微波脉冲的屏蔽效能最高可达13 d B,且随入射功率的增大而进一步增大。     

高压氢气亚纳秒开关击穿特性

 在超宽谱脉冲产生辐射系统或脉冲功率源中,常用高压气体开关来产生快脉冲沿的高功率电磁脉冲。为了研究高压氢气亚纳秒开关的击穿特性,通过实验研究了氢气开关在高气压和短间隙距离条件下的击穿特性。开关输入脉冲的峰值幅度约220 kV,脉宽3～4 ns。氢气气压4～13 MPa,间隙距离0.4～1.2 mm。结果表明：开关击穿电压随气压升高而增加,且开关气压达到11 MPa后击穿电压随气压增加的趋势变缓;开关击穿电压随间距增加而增加,平均击穿场强随间距增加而减小,氢气开关平均击穿场强分布在3～7 MV/cm之间;开关导通时间随气压增加略有减小,随间隙距离增加有小幅增加。     

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。     

级联式高功率微波限幅防护装置

针对单级等离子体限幅器在防护高功率微波时可能出现的功率泄漏问题,提出等离子体限幅器与PIN限幅器在矩形波导中级联的新型防护装置.以功率为10 GW、频率为1 GHz高功率微波为例,通过计算单级等离子体限幅器的泄漏功率,分析比较了单级等离子体限幅器和级联式防护装置的防护性能.结果表明:对于单级等离子体限幅器不同情况的泄漏(即入射高功率微波场强小于限幅器击穿阈值场强和限幅器响应时间较长两种情况),采用级联式防护措施后,其泄漏功率被抑制在0.40 W以下.     

Window breakdown caused by high-power microwaves

Physical mechanisms leading to microwave breakdown on windows are investigated for power levels on the order of 100 MW at 2.85 GHz. The test stand uses a 3-MW magnetron coupled to an S-band traveling wave resonator. Various configurations of dielectric windows are investigated. In a standard pillbox geometry with a pressure of less than 10^-6 Pa, surface discharges on an alumina window and multipactor-like discharges starting at the waveguide edges occur simultaneously. To clarify physical mechanisms, window breakdown with purely tangential electrical microwave fields is investigated for special geometries. Diagnostics include the measurement of incident/reflected power, measurement of local microwave fields, discharge luminosity, and X-ray emission. All quantities are recorded with 0.21-ns resolution. In addition, a framing camera with gating times of 5 ns is used. The breakdown processes for the case with a purely tangential electric field is similar to DC flashover across insulators, and similar methods to increase the flashover field are expected to be applicable     

激光极化129Xe核自旋弛豫率的测量

由弱磁场下光泵自旋交换、强磁场中核磁共振测量方法,获得激光极化低压同位素¹²⁹Xe气体的核自旋弛豫率1/T₁及其与N₂气压力、环境温度的关系.结果表明:在291K的室温下,对于0~11 333.05Pa的N₂气压力范围,1/T₁随着N₂气压力的增加而增大;N₂气压力为1 466.63Pa时,1/T₁随着样品温度从234K到292K增高而减小     

临近空间高功率微波辐照放电试验技术

随着高功率微波技术的发展, 电子设备面临强电磁辐射攻击的威胁越来越严重, 对电子设备的防护加固提出了更高要求, 临近空间飞行器及其放电效应是目前较少考虑的环节, 且缺少相应的环境试验条件。文章提出了一种将临近空间气体环境与高功率微波电磁环境相结合的方法, 在柱形真空罐内壁布置吸波材料, 使用MW级S波段微波源及辐射聚焦系统在腔室中心形成强电磁辐射区, 以便开展相关辐照放电试验研究。针对脉冲微波强场监测, 通过光纤电场探头测量小信号连续波的方式进行等效传递, 中心场强最高超过2kV/cm。利用该试验装置可开展临近空间电子学系统在高功率微波辐照下的放电击穿研究, 对薄弱环节分析及防护加固提供帮助。     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

Semi‐Classical Model of Strongly Correlated Coulomb Systems in Weak Magnetic Field

The integer and fractional quantum Hall effects are two remarkable macroscopic quantum phenomena occurring in two‐dimensional strongly correlated electronic systems at high magnetic fields and low temperatures. Quantization of Hall resistivity in the very high magnetic field regime at partial filling of the lowest Landau level indicates the stabilization of an electronic liquid quantum Hall phase of matter. Other interesting phases that differ from the quantum Hall phases take prominence in weaker magnetic fields when many more Landau levels are filled. These states manifest anisotropic magneto‐transport properties and, under certain conditions, appear to mimic charge density waves and/or liquid crystalline phases. One way to understand such a behavior has been in terms of effective interaction potentials confined to the highest Landau level partially filled with electrons. In this work we show that, for weak magnetic fields, such a quantum treatment of these strongly correlated Coulomb systems resembles a semi‐classical model of rotating electrons in which the time‐averaged interaction potential can be expressed solely in terms of guiding center coordinates. We discuss how the features of this semi‐classical effective potential may affect the stability of various strongly correlated electronic phases in the weak magnetic field regime (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

微波气体放电等离子体与余辉中的动理学研究

研究了微秒脉冲聚焦微波束气体放电等离子体的动理学过程。数值模型基于自洽求解的微波电场亥姆霍兹方程、粒子连续性方程以及电子能量、气体分子振动能量和平动能量的平衡方程,并与等离子体动理学反应互相耦合。对比了国外报道的近期两项相关实验:次MW级X波段9.4 GHz微波氮气击穿和MW级W波段110 GHz微波大气击穿。在次MW级实验中,计算所得电子激发态N₂(C3Π_u)的数密度与实验所测发射光谱第二正带隙的强度一致;在MW级实验中,模拟结果重复了发射光谱测量所得振动温度和平动温度对放电气压的依赖关系。结果揭示了上述模拟和实验符合的内在物理机制。     

An experimental investigation of the pressure and concentration dependence of muonic Coulomb capture and cascade in gases

Muonic Coulomb capture ratios and x-ray intensity patterns in four binary mixtures of the gases N₂, Ne, Ar, Kr, and Xe have been measured at three atomic ratios. An influence of the concentration has been established. The Lyman series intensity patterns of pure N₂, Ne, Ar, Kr, and Xe were measured at pressures between 0.4 and 51 bar and found to depend on the pressure. Possible explanations are discussed.     

微波脉冲氮气等离子体发射光谱测量

通过发射光谱测量和拟合不同的微波脉宽和气压下C波段微波放电的氮气等离子体振动温度、转动温度和电子激发温度。气压在266~400Pa时,等离子体的振动温度为(2700±100)K,电子激发温度为(0.32±0.015)eV,转动温度随脉宽增加而上升,实验中测得的最大转动温度为370K。偏离266~400Pa时,振动温度和电子激发温度同时出现了下降的趋势,而转动温度出现了上升的趋势。这意味着电子激发温度和振动温度具有很强的关联性。     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

Microwave Breakdown Field in a Resonant Spherical Cavity

In the present work, the microwave breakdown threshold in a gas‐filled spherical resonator, is determined for the case when the cavity is excited in its lowest order mode, which implies that the microwave field strength depends on both radius and azimuthal angle. A semi‐analytical approximation of the breakdown threshold is found using a direct variational approach. The variational predictions are compared with the results of full numerical calculations and demonstrate very good agreement