一种非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的计算方法

长距离磁绝缘传输线内电极偏心、感应腔注入电流非均匀分布引起电子鞘层边界偏心等非对称磁绝缘特性.电子鞘层边界是研究非轴对称磁绝缘特性的重要参数.本文提出一种计算非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的方法.通过引入角向非均匀分布的模数,将经典一维轴对称Creedon稳态磁绝缘理论推广应用于圆柱坐标系下二维(r,θ)平面.建立了感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘的二维Creedon物理模型,给出了非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的数值计算方法和计算误差.当阴极角向磁场(阴极电流)角向分布满足余弦函数时,电子鞘层边界接近高斯分布.阴极电流角向不均匀程度越大,电子鞘层边界偏心程度越严重,计算误差越大.

有磁场时电子在航天器光电子鞘层中的漂移运动

采用二级漂移近似理论，研究了在航天器光电子鞘层中与电流收集有关的电于在磁场中的运动轨道和与收集电子有关的磁瓶结构．结果表明当磁场越强，航天器表面电势越弱，磁瓶在无穷远处横截面积就越小．在光电子鞘层中，势垒对电流收集影响较大，磁瓶的横截面积在略远于势垒处有极大值．磁瓶在无穷远处的横截面积并非随着势垒距航天器距离的远近而单调变化．

真空中连续发射电子束形成的电子鞘层的空间结构

用双流理论模型研究真空中电子束的发射实验．向真空中发射电子束过程中，发射体本身被充正电，束缚束电子向外传播，大量的束电子在发射体表面附近形成电子鞘层；只有极少量的束电子可以逃离发射体而向外传播出去．在电子鞘层内，发射出的束电子和返回发射体表面的束电子形成速度和密度在空间为分布不均匀的双流．本文用双流理论模型解析计算出了电子鞘层的空间尺度、电子鞘层内的电场分布以及电子密度分布．

15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线鞘层电子流分析

基于建立的15 MA Z箍缩装置等效电路模型,获得了外层磁绝缘传输线(magnetically-insulated transmission line,MITL)鞘层电子流分布规律:从时间上看,鞘层电子流幅值先减小、后增大,波形呈“马鞍”型;从空间上看,鞘层电子流沿着功率流方向逐渐减小.分析了MITL参数,包括恒阻抗段真空阻抗、恒间隙段间距,以及柱孔盘旋面位置半径对MITL末端鞘层电子流的影响.计算结果显示:MITL末端鞘层电子流受MITL末端阻抗和柱孔盘旋面位置半径的影响较大.当15 MA装置四层MITL并联真空阻抗从0.42Ω增大到0.84Ω时,在负载聚爆前5 ns时刻,MITL末端鞘层电子流从184.7 kA降低至106.9 kA,负载峰值电流减小约0.5 MA.

电流非均匀分布对磁绝缘感应电压叠加器电子鞘层的影响

磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)感应腔注入电流空间非均匀分布对次级磁绝缘电子鞘层和功率流传输产生影响.本文基于磁绝缘稳态二维层流模型,分析了电流非均匀分布对MIVA次级电子鞘层的影响规律.电流非均匀分布对磁绝缘电子鞘层影响较大,但对电荷质心和磁绝缘流阻抗影响较小.对于给定磁绝缘参数(线电压V_0=4.1 MV、最小阳极电流I_(amin)=132 kA),当阴极电流不均匀系数δ_c约35%时,电子鞘层不均匀系数ζ约79.4%,流阻抗减小了5.6%;当δ_c增大至69.5%时,电子鞘层偏心导致阴-阳间隙局部短路.在磁绝缘最小阳极电流I_(amin)相同时,线电压V_0越低,电流非均匀分布的影响程度越显著.当线电压V_0由4.2 MV降低至1.4 MV时,引发间隙局部短路的阴极电流不均匀系数由69.5%降低至35%.

霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性

霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层,不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响,本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型,研究了氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)和三氧化二铝(Al_2O_3)三种不同壁面材料的二次电子发射特性,在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上,采用粒子模拟方法,讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系,研究了三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的鞘层特性,结果表明:修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致;在相同电子温度下,三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大,而鞘层电场和鞘层电势降依次减小,BN材料具有合适的二次电子发生射系数,使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作。

月球受光面上月尘静电浮扬特性分析

基于单粒子轨道理论及空间尘埃等离子体充电方程,建立了月球受光面上尘埃微粒的静态荷电模型.基于光电子能量Maxiwellian分布假设,确定了月面垂直空间电场强度和光电子鞘层内带电粒子密度的函数表达式.利用牛顿运动定律和静电场力表达式,构建了月球受光面上尘埃微粒的静电浮扬动力学模型,并进行月尘静态浮扬特性的数值计算.研究结果显示:太阳高度角与颗粒粒径是控制月尘静电浮扬发生及动力学特性的两个基本参量;月尘静电浮扬发生在月球的黎明和黄昏;随着粒径的减少,月尘颗粒的最大浮扬高度不断增加.

磁绝缘传输线压力平衡模型的修正

由于电子的发射,在磁绝缘传输线（MITL）的阴极表面附近会形成一层电子鞘层。当传输线工作在稳定态时,电子鞘层的边缘满足压力平衡。在此基础上,考虑了电子鞘层内部的碰撞,利用PIC计算方法对MITL的电压、阴极电流和阳极电流的关系进行修正,使得阴阳极电流在饱和流条件下与模拟计算结果更加符合,最大误差由9%降到3%。碰撞系数关于电压的拟合曲线适合于工作电压为2~7 MV的理想MITL。

感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘物理模型和数值分析

针对感应腔注入电流非均匀分布引起的感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘问题,在磁绝缘经典层流理论基础上,通过引入角向非均匀分布的模数,将经典一维轴对称磁绝缘Creedon理论推广至两维（r,θ）平面,建立了圆柱坐标系下二维层流物理模型,推导了磁绝缘电参数（电磁场、空间电子密度、电子鞘层等）与相对论因子γ（r,θ）的关系。当给定边界条件（阴极磁感应强度角向分布）时,数值求解物理模型,获得了感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘电参数的二维分布。当感应电压叠加器次级阴极磁感应强度满足余弦分布时,磁绝缘电子鞘层边界近似呈高斯分布。在靠近馈入点的角向位置,由于磁感应强度较大,电子鞘层较薄,磁绝缘电子密度较大。阳极磁感应强度分布均匀性优于阴极,且两者相位相差180°,数值分析结果与RITS-3装置实验结果基本相符。建立的物理模型和分析方法可用于长距离磁绝缘线内筒偏心等非轴对称磁绝缘问题。

欠匹配型磁绝缘感应电压叠加器次级阻抗优化方法

磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)次级阻抗对脉冲功率驱动源和负载之间的功率耦合具有重要影响.基于稳态磁绝缘Creedon层流理论和鞘层电子流再俘获(re-trapping)理论,建立了负载欠匹配型MIVA电路分析方法,数值分析获得了MIVA输出参数(输出电压、阴/阳极电流和电功率)随负载欠匹配程度的变化规律.考虑阴极传导电流作为闪光X射线照相二极管的有效电流,建立了以MIVA末端X射线剂量率最大为目标的次级阻抗优化方法.获得了欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*的变化规律:随着X射线剂量率对电压依赖程度提高,欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*呈指数降低;负载阻抗越大,Z_(op)~*越大.

15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线损失电流的电路模拟

采用TL-code电路编码方法,建立了15 MA Z箍缩装置多层圆盘锥磁绝缘传输线的全电路模型,分析了外磁绝缘传输线、汇流柱和内磁绝缘传输线三个区域电流损失特性.外磁绝缘传输线磁绝缘形成过程的空间电荷损失持续时间约30 ns,对负载电流影响小.进入磁绝缘稳态时,外磁绝缘传输线末端鞘层电子流损失约300 k A.汇流柱区域电流损失与电极等离子体运动速率密切相关,当等离子体运动速率为21 cm/μs时,负载峰值电流时刻损失电流约4 MA.内磁绝缘传输线电流损失取决于阳极离子流种类,电流损失在负载峰值电流时刻之后,损失电流约2.1 MA.当15 MA装置驱动长度2 cm、半径2 cm、质量3 mg丝阵负载时,绝缘堆峰值电流约18 MA,负载峰值电流约13.5 MA、峰值时间(0—100%)约为100 ns.