加载环形等离子体束的圆柱波导中慢等离子体波高频特性的数值研究

等离子体相对论微波发生器(PRMG)可以产生宽带高功率微波输出,同时又具有良好的频率可调谐性,因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区,工作模式为慢等离子体波TM_(01)模(下称P-TM_(01)模)。P-TM_(01)模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM_(01)模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析,获得等离子体束密度n_(p)、径向厚度Δr_(p)和径向位置r_(p)以及外加引导磁场强度B_(z)和波导半径r_(w)等参数对P-TM_(01)模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括:(1)一定范围内,n_(p)和Δr_(p)的变化对色散特性影响较大,r_(p),B_(z)和r_(w)的变化对色散特性影响较小。值得关注的是,由于波导中环形等离子体束的存在,随着波导半径r_(w)的增加,相同纵向波数k_(z)对应的P-TM_(01)模的频率没有降低而是略有提高。因此,在实际应用时,可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量;适当降低磁场,则有利于提高器件的紧凑性。(2)P-TM_(01)模的纵向电场的方向不随径向位置变化,径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。(3)主要物理参数变化时,场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和k_(z)相应增加,电场能量向等离子体束收拢,不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行,束波互作用的共振点最好落在k_(z)相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。

从美国EMPIRE软件看大型高功率脉冲电磁等离子体程序研发趋势

EMPIRE软件是美国针对下一代高性能计算平台开发的电磁等离子体模拟软件,可用于高置信度地开展高功率脉冲产生、传输以及与物质互作用的全过程模拟。解读EMPIRE软件的研制进展对发展大型高功率脉冲电磁等离子体软件具有重要借鉴意义。首先分析了EMPIRE软件的架构及数学物理方案,然后着重讨论了其性能可移植性的软件特征和各子模块的算法特点,最后结合具体的应用案例展示了EMPIRE的强大计算能力。解读EMPIRE的启示包括如下几点:使用异构架构是实现未来E级(百亿亿次级)计算能力部署的关键点;研制灵活的功能模块,开展分层级的建模计算,最后拉通整个物理过程链条模拟,能够有效发挥装置指标的数值评估作用;多团队协作共同开发是丰富软件功能的基础;软件的置信度需要全方位的验证与确认。

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法(PIC)处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。

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1D3VPIC-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μs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。

硬化性肺细胞瘤与孤立实性结节肺癌的18F-FDG PET/CT特征比较

目的比较硬化性肺细胞瘤(PSP)和孤立实性结节肺癌的^(18)F-FDG PET/CT特征,探讨可用于鉴别诊断两者的PET和CT征象。资料与方法回顾性分析14例PSP和18例孤立实性结节肺癌患者的PET和薄层CT特征。所有患者分别于术前1周内行全身^(18)F-FDG PET/CT显像,均经病理学检查确诊。比较PSP和孤立实性结节肺癌患者病灶PET和薄层CT征象。结果 PET显像中,PSP的^(18)F-FDG摄取明显低于孤立实性结节肺癌,差异有统计学意义(3.52±1.65比9.02±4.60,t=4.386,P=0.000);但两组病变直径差异无统计学意义[(2.61±1.01)cm比(2.41±0.82)cm,t=0.653,P=0.518]。受试者工作特性曲线分析显示,SUVmax最佳截断值为5.5,以此截断值诊断PSP的敏感度为0.722,特异度为0.933。薄层CT扫描显示,贴边血管征仅见于PSP,而孤立实性结节肺癌无此征象(73.3%比0%),差异有统计学意义(P<0.05);分叶征在两种疾病中均可见,但PSP的阳性率明显低于孤立实性结节肺癌,差异有统计学意义(20.0%比77.8%,P=0.002);毛刺征、胸膜牵拉征、血管集束征及空洞征仅见于孤立实性结节肺癌,差异有统计学意义(P<0.05)。结论 PSP与孤立实性结节肺癌在代谢和形态学征象上有显著差异。将PET和薄层CT两种影像学信息相结合有助于两种疾病的鉴别诊断。

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0.22THz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。

介质面刻槽抑制二次电子倍增蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法,针对介质表面刻槽抑制二次电子倍增的实验现象,进行了数值模拟研究。给出了二次电子倍增动力学方程、刻槽边界条件、二次电子初始能量与角度分布以及发射率分布关系;讨论了槽深、槽宽对二次电子倍增的抑制效果,以及同一刻槽结构对不同微波场强度和频率的二次电子倍增抑制能力;分析了双边二次电子倍增区域。数值研究结果表明:增加槽深、缩短槽宽可以抑制二次电子倍增;同一刻槽结构,更易于抑制高频场、场强较低或较高下的二次电子倍增;刻槽尺寸的选择还应避开双边二次电子倍增区间。将数值模拟结果与相关实验现象进行了对比,吻合得较好。

并行3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE的外加磁场模块设计

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。

两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制

利用自编1D3VPIC程序,数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程,给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明:不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程,使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果;横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中,电子半个周期被推离介质表面(不发生次级电子倍增),半个周期被推回介质表面(降低电子碰撞能量)的作用机理,达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下,电子回旋同步加速导致回旋半径增大,电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易,但对磁场要求较高;横向外加磁场需要磁场较低,但加载较为困难。

3维全电磁粒子模拟软件的外加波与粒子模块设计

介绍了3维全电磁粒子模拟软件中外加波边界与粒子边界模块的设计思路和方法,其中外加波边界包括同轴波导、矩形波导、圆柱波导的电磁波输入和输出,以实际算例的形式计算了同轴波导TEM模、矩形波导TE10模、圆柱波导TM01模的传输特性;粒子边界包括粒子的发射与吸收。以实际算例的形式计算了一个用于MILO的同轴二极管爆炸发射模型,对其不同电压下的发射特性以及外加波注入功率进行了研究。研究发现:在外加波电压从低到高的情况下,电子先后表现为出了径向运动,轴向漂移和顺势流3个阶段的发射特性,符合物理规律。所得外加波传输的模式分布和粒子发射特性的计算结果分别验证了外加波和粒子发射模块设计的正确性和可靠性。

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。

介质单边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

针对介质单边二次电子倍增现象,理论分析给出了其动力学方程、二次电子初始能量与角度分布,结合二次电子发射的材料特性,研究了二次电子倍增的理论预估敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系;采用固定时间步长并考虑电子束动态加载饱和效应的细致蒙特卡罗方法,研究了二次电子数目、直流场、射频场、介质表面沉积功率、电子放电功率、二次电子碰撞能量及电子渡越时间等二次电子倍增特性物理量的变化过程,并且讨论了初始电流及二次电子倍增工作点对二次电子倍增整个过程的影响作用,得出了二次电子倍增存在初始阈值发射电流密度的结论。

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1D3VPIC-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。

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TMon模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。

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

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。

轴对称渐变型类周期慢波结构的色散特性

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意轴对称渐变型类周期慢波结构色散特性的方法。采用该方法编制了计算渐变型波纹波导和渐变型盘荷波导色散曲线的Matlab程序,详细分析并讨论了这两类典型渐变型类周期慢波结构的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件模拟结果的数据吻合度较高,验证了该数值算法的可靠性。另外,该方法具有较强的普适性和扩展性,也可退化到任意轴对称周期慢波结构色散特性的求解,为慢波结构的设计提供一种简单有效的途径。

含电子束任意轴对称周期慢波结构色散曲线的数值计算

运用场匹配法,提出一种可求解包含电子束的任意轴对称周期慢波结构TM0n模色散曲线的数值方法;该方法具备较强的通用性和推广性,对设计具有周期性慢波结构的契仑柯夫类高功率微波源器件,有着重要的指导性意义。采用该方法编制了计算波纹波导和盘荷波导色散曲线的M atlab程序,以算例的形式验证了本数值算法的可靠性,计算出的冷腔色散曲线结果与多维全电磁模拟软件的模拟结果作了比对,二者相对误差在1%之内,计算结果准确可靠。由于采用了数值积分算法,在计算波纹波导色散曲线时,该方法与Bessel函数泰勒级数展开法相比具有计算速度快的优点。

超辐射机制相对论返波管的数值计算

运用相对论返波管非线性理论,推导出描述相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组;数值求解了该非线性自洽方程组,揭示了相对论返波管中由非稳态束波互作用产生的超辐射现象的基本规律:输出超辐射波峰值功率大约与参与互作用电子总电荷量的平方成正比。并将超辐射和由稳态束波互作用所产生的受激辐射作了相关比较,结果表明:超辐射是短电子束脉冲产生非稳态束波互作用的结果,而受激辐射是长电子束脉冲产生稳态束波互作用的结果;不断增加电子束脉冲宽度,辐射机制由超辐射转变为受激辐射。