介质表面附近微波大气击穿的理论研究

将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解, 对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究. 分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究. 一维计算结果发现在n_e = 0, j = 0两种边界条件下, 虽然形成的等离子体密度分布相差较大, 但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大. 初始电子数密度厚度为20 mm的条件下, 得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况. 二维计算结果发现, 由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强, 电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体, 当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时, 波导中心介质表面处微波场强减小, 等离子体区域沿着介质表面向两侧移动. TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值, 因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.     

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.     

腔体内传输线耦合的电磁仿真软件与传输线方程的混合算法

研究了一种有限积分法软件与传输线方程相结合的混合算法,用于解决复杂电磁环境下屏蔽腔体内传输线的电磁耦合问题。利用有限积分法软件实现屏蔽腔体的建模,仿真得到腔体内部空间电磁场分布,并设置电场探针提取出传输线的激励场。利用传输线方程建立腔体内传输线的耦合模型,将得到的传输线激励场引入到传输线方程作为等效分布电压和电流源。利用时域有限差分(FDTD)格式对传输线方程进行离散,从而迭代求解出传输线终端负载上的电压和电流响应。通过与文献以及传统数值算法的计算结果进行对比,验证混合算法的正确性。研究表明,该混合算法在模拟电大尺寸腔体内传输线的电磁耦合方面,具有较高的精度和计算效率。     

虚阴极为负载的磁绝缘线振荡器设计和研究

 设计了S波段的MILO,工作频率为2.33 GHz,器件不容易产生模式竞争,适合于单模运行。进一步对MILO进行改造：阴极加入端面发射,使磁绝缘效果更好;收集极采用金属薄膜,利用磁绝缘电流形成虚阴极,充分发挥负载电流的磁绝缘作用,利用负载电流参与波束能量转换,使输出功率和效率进一步提高。通过优化设计的虚阴极MILO,在输入电压为450 kV,电流为45 kA时,最终得到2 GW的周期平均输出功率,效率高达10%。     

有限电导率模块在THz折叠波导行波管模拟中的验证和确认

采用与同类商业软件比对的方法,在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认,包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明:冷腔损耗计算相对误差在3%~4%左右,计及损耗的热腔最佳增益相对误差及最佳工作电压漂移相对误差均在2%左右。通过不同软件、冷腔损耗与热腔增益的比对,验证了有限电导率模块正确性和可靠性。此外,还对加工因素导致结构参数变化对冷腔损耗特性影响,做了规律性讨论。     

金属腔内场线耦合干扰敏感性

研究了金属腔内电磁场与单导线耦合对线两端部件产生干扰的敏感性问题。利用并矢格林函数计算腔内场分布, 利用Agrawal模型计算获得导线两端负载的干扰响应, 从腔体尺寸、内部干扰源位置及导线位置三个方面分析了建模的微小变化对导线负载干扰的影响。结果表明, 腔体尺寸的微小变化会带来负载干扰响应的很大变化, 在谐振点处该影响尤其明显;腔内干扰源位置的微小变化可能会带来负载干扰响应的巨大变化;干扰响应对导线距离金属腔壁高度的微小变化不敏感, 但单导线位置的微小变化可能带来负载干扰的较大变化。     

微型电子回旋共振离子源的全局模型

微型电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源在紧凑型离子注入机、小型中子管、微型离子推进器等领域有着十分广泛的应用.为了深入认识微型ECR离子源的工作机理,本文以北京大学自主研制的一款微型氘离子源作为研究对象,以氢气和氘气放电形成的等离子体为例,发展了一种基于粒子平衡方程的全局模型.研究结果表明,该离子源束流成分与离子源的运行气压和微波功率有着很强的依赖关系.对于氢气放电等离子体,微波功率低于100 W时,离子源可以分别在低气压和高气压情况下获得离子比超过50%的H~+₂离子束和H~+₃离子束;当微波功率高于100 W时,可以在很宽的运行气压范围内,获得质子比超过50%的束流.因此,提高微波功率是提高微型离子源质子比的关键.对于氘气放电等离子体, 3种离子比例对运行气压和微波功率的依赖关系与氢气放电等离子体的规律基本一致.但是在相同的运行条件下, D~+比例比H~+比例高10%—25%.也就是说,在微型氘离子源的测试和优化过程中,可以利用氢气代替氘气进行实验,并将质子比测量结果作为相同条件下氘离...     

TE01-TE11模式转换器的带宽特性

针对模式转换器设计中在相同的中心频点转换效率下模式转换器越短带宽越宽的传统观点,研究发现了最佳长度的存在,即当结构长度大于最佳长度时,带宽随着结构长度增加而减小,当结构长度小于最佳长度时,带宽随着结构长度增加而增加。通过对中心频率35 GHz、半径13.6 mm的TE01-TE11模式转换器进行的验证发现,最佳长度为550 mm,此时带宽达到最大值6.28%。     

用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出:通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。