神光装置辐照腔体系统电磁脉冲的数值模拟

应用三维MC程序和PIC程序,对神光装置辐照下腔体内系统电磁脉冲(SGEMP)模型进行了耦合模拟。在半高宽为2.9 ns、平均能量为10.3 keV的轫致谱X射线点源辐照下,圆柱腔内电场最大值高达2 MV/m,以轴向电场为主;磁场最大值约为0.8×10^(-3)T,以角向磁场为主,电磁场最大值都集中在发射面附近,以脉冲直流场为主,交流辐射场幅度较小,约在kV/m量级。考察了注量对SGEMP效应的影响,注量越高,电场沿轴向变化越快,交流辐射场占比越大。

稀薄空气、等离子体环境外系统电磁脉冲的数值模拟

为研究大气环境对系统电磁脉冲(SGEMP)的影响,针对海拔50~100 km的X射线能量沉积区,分别应用3维PIC程序及3维PIC-MCC程序各自开展预电离等离子体和稀薄空气条件下外SGEMP的建模与模拟研究,针对3种不同的X射线注量(4×10^(−3) J/cm^(2)、4×10^(−2) J/cm^(2)、0.4 J/cm^(2)),分别取对应两种不同海拔高度(70 km和80~90 km)的本底等离子体及海拔56 km的稀薄空气条件进行模拟计算,并和真空中的计算结果进行对比,得出预电离等离子体及稀薄空气对外SGEMP的影响规律:当X射线注量较低时,等离子体使得磁场增大,电场减小,而稀薄空气对外SGEMP效应影响不明显;随着X射线注量增大,空间电荷非线性效应越来越明显,等离子体及稀薄空气都使得电场、磁场同时增大,且稀薄空气的增大效应更显著。

腔体系统电磁脉冲模拟中的电子发射面

对电子发射面设置问题进行了研究,给出了底入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的实现方法,分析了侧入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的特点,并利用虚拟发射面的方法实现了侧入射腔体系统电磁脉冲模拟中电子发射面的设置。结果显示,利用该方法可以较简洁地实现腔体系统电磁脉冲模拟中平面和曲面电子发射面的设置,发射面电子发射参数和时序符合物理规律。

光电子发射引起的柱腔内系统电磁脉冲的模拟

用时域有限差分法结合PIC粒子模拟方法,对光电子发射引起的圆柱腔内电磁脉冲现象进行了模拟,并对单能电子发射时电场的空间分布和系统电磁脉冲波形特征进行了分析。利用粒子抽样和间隔时间粒子注入的方法,得到了特定电子发射谱下的计算结果,并与非抽样方法所得的结果进行了比较。计算结果显示,采用该方法后,噪声略有增加,但计算要求的条件大大降低,计算的粒子数有效地减少,适用于3维粒子模拟计算;计算结果还显示,发射电子能谱越高,注量越大,表面电场区与饱和电场区的长度越短。

金属壳体和电缆的系统电磁脉冲响应

研究了金属壳体和电缆遇到高空核爆炸产生的脉冲X射线辐射时的系统电磁脉冲响应,讨论了系统电磁脉冲产生机理、幅值和对系统的耦合途径。通过对计算和试验数据的分析,获得了金属壳体模型和单电缆及双电缆的系统电磁脉冲响应数据,简要分析了壳体的系统电磁脉冲损伤薄弱环节。

系统电磁脉冲综合环境中导线响应的计算

采用时域有限差分法(FDTD)、粒子模拟(PIC)方法和Holland细线算法,对圆柱腔体内带负载导线的系统电磁脉冲(SGEMP)综合环境响应进行了模拟。计算结果表明:导线负载上的响应电流从大到小依次由透射X射线、SGEMP场和前向电子产生;透射X射线和前向电子产生的响应电流极性相反;SGEMP场在导线负载上响应电流的极性与场分布有关;3种环境在负载上的综合响应中透射X射线的响应最大。对于腔体内的导线来说,SGEMP综合环境防护时透射X射线是重点考虑的因素。

不同注量X射线系统电磁脉冲响应的数值计算

对Ｘ射线在铝制圆柱形模型上产生的系统电磁脉冲（ＳＧＥＭＰ）现象进行了数值计算。采用了二维粒子模拟技术，得到了８个量级范围的Ｘ射线入射注量下的ＳＧＥＭＰ计算结果，总结了ＳＧＥＭＰ的场值、分布与Ｘ光注量的变化规律。

系统电磁脉冲边界层准稳态特性研究

对黑体谱脉冲Ｘ射线入射到系统材料上发射的光电子的行为及其准稳态成立的条件进行讨论，研究了系统电磁脉冲（ＳＧＥＭＰ）边界层中光电子参数和电场的准稳态特性。给出的公式，可以方便地获得ＳＧＥＭＰ边界展的主要参数，如电子密度、电子分布、表面电场及其分布等。最后给出了一个计算实例。

线缆系统电磁脉冲效应测量系统研制和试验

分析了实验室瞬态X射线产生的系统电磁脉冲(SGEMP)效应测试所面临的技术问题,提出了解决方法、措施以及实验室模拟瞬态X射线的SGEMP模拟试验方法。通过电子屏蔽、电磁屏蔽、光电隔离、信号对称提取等特殊技术处理,解决了SGEMP效应模拟试验方法和测量系统抗X射线、抗电磁辐射等技术问题,并在大型瞬态X射线模拟源上,测出了瞬态X射线辐照时金属腔内线缆的SGEMP效应波形及幅值。

“闪光二号”环境中系统电磁脉冲计算模型的验证

以"闪光二号"加速器硬X射线为辐照源,对腔体内系统电磁脉冲(system generated electromagnetic pulse,SGEMP)磁场环境的验证方法进行了研究。根据测量的"闪光二号"二极管的电压、电流,模拟了发射电子束能谱参数;结合辐射靶物理设计,建立了二极管阳极靶蒙特卡罗粒子输运计算模型,模拟了轫致辐射X射线场参数;采用时域有限差分(finite difference time domain method,FDTD)和粒子模拟(particle in cell,PIC)方法,模拟了该射线环境中的腔体SGEMP磁场环境;将轫致辐射X射线参数及腔体SGEMP磁场环境的模拟结果与实验结果进行了比较。结果表明:从X射线源参数模拟开始的腔体内SGEMP数值模拟计算模型的实验验证方法是合理可行的。

圆柱体的外系统电磁脉冲模拟

为深入研究具有复杂角分布和能谱分布的系统电磁脉冲(SGEMP)的规律和特性,利用三维全电磁粒子模拟(PIC)程序,并添加相应功能模块——用蒙特卡洛方法实现电子发射的余弦角分布和指数能谱分布。模拟计算光电子由圆柱端面向外发射引起的SGEMP模型,选取2组X射线数据进行计算,并与文献估算结果进行对比。2次计算所得结果量级都与文献结果一致,说明本程序可用于深入研究各种SGEMP问题,为抗核加固和SGEMP效应研究提供基础数据。

双极晶体管的系统电磁脉冲与剂量率综合效应

建立典型半导体器件系统电磁脉冲与剂量率综合效应计算模型,对在瞬态X射线辐照下电缆末端典型n^+-p-n-n^+结构的双极晶体管负载的系统电磁脉冲与剂量率综合效应进行研究,得到了综合效应现象,分析了综合效应机理,总结了综合效应规律。在系统电磁脉冲与剂量率综合效应作用下,双极晶体管内部,由于载流子数量剧增,其反向击穿阈值降低,综合效应比单一效应更易造成双极晶体管的毁伤。编制的系统电磁脉冲与剂量率综合效应计算程序可用于分析电子学系统中其他类型半导体器件的效应机理与规律。

低注量X射线中屏蔽电缆的系统电磁脉冲响应研究

介绍了在低注量X光条件下进行电缆的系统电磁脉冲实验研究的方法。将DPF低注量脉冲X光响应实验与实验室电流注入方法相结合,对典型实用电缆的系统电磁脉冲响应情况进行了实验研究,结果表明该方法对于电缆的研究是切实可行的,克服了由于缺乏高注量X光装置带来的困难。

系统电磁脉冲一维边界层的数值模拟

应用准第一性原理的PIC程序对系统电磁脉冲(SGEMP)一维边界层进行数值模拟,研究无限大介质板发射单一能量为2keV、发射率为3.3×1020 m^(-2)·s^(-1)的光电子,发射角分布为余弦角分布,且平板上留下等量正电荷时的SGEMP效应,得出稳态后电子所能到达的最大距离约在5.8~7.5cm之间振荡;发射表面z=0处的电荷密度在(6.0~9.0)×10^(-6)C/m^3之间振荡;表面电场值在50~55kV/m之间振荡;边界层达到准稳态的时间约为14.0ns。将稳态模拟结果和理论估算结果进行对比,模拟结果较理论结果更加准确、形象地反映出SGEMP一维边界层的形成过程及稳态结构。

圆柱腔内系统电磁脉冲的数值模拟

应用3维全电磁粒子模拟程序研究腔体的内SGEMP,作为校验,模拟计算了光电子由圆柱腔体端面向内发射的SGEMP模型,并与文献结果进行了对比;使用该程序对圆柱腔体的3维内SGEMP进行模拟研究,得出注量为100 J/m^(2),特征温度为2 keV的黑体谱X射线,垂直入射高为4.5 cm、半径为7.5 cm的圆柱腔体侧面时,发射电流为20 A,产生的电场最高可达150 kV/m,磁场高达3.0×10^(-5)T。并对不同X射线注量下的电荷和电场分布情况进行了初步研究。

光电子发射引起的系统电磁脉冲模拟研究?

基于给定光电子的时间、能量谱,分析研究了从有界平面金属向自由空间发射的光电子所引起的系统电磁脉冲效应;采用2.5维全电磁粒子模拟(PIC)程序模拟研究了光电子在空间的运动及分布规律、空间电磁场的组成成分及各组分场的特性。模拟与分析表明:系统电磁脉冲的空间电磁场由直流本底场和辐射场两部分组成。直流场是径向场,随距离的增大迅速衰减;而辐射场又由两部分组成,一是电子从金属平板发射过程中产生的超辐射,二是电子在空间运动过程中产生的辐射场。对两种辐射场特性进行了深入的分析和研究。

系统电磁脉冲空间电荷层振荡特性理论

从电磁场理论出发,给出了发射电子为单能条件下系统电磁脉冲(SGEMP)空间电荷层振荡特性的解析求解方法,得到了空间电荷层的振荡频率和振荡幅度的解析式,其结果与用等离子体理论求解得到的结果一致。通过本文的研究工作,可以进一步认识发射电子为单能条件下SGEMP中的空间电荷层问题,该问题可以分别用电磁场理论和等离子体理论处理。

二次电子发射对系统电磁脉冲的影响

系统电磁脉冲难以有效屏蔽,会显著影响低轨航天器等重要装置和基础设施的性能.为了评估二次电子对系统电磁脉冲的影响,本文基于粒子云网格方法,建立了三维非稳态系统电磁脉冲模型,计算并比较了不同电流密度、金属材料等条件下,两种典型结构的电磁脉冲响应.结果表明,在计算模型中忽略二次电子发射会使部分位置的峰值电场强度被低估2—3倍,电场响应持续的时间也会被低估10%以上.在各类二次电子中,背散射电子对系统电磁脉冲的影响占主导,而真二次电子的作用约为背散射电子的1/5.二次电子发射对系统电磁脉冲的影响随着系统所用材料原子序数的增高而加大.空间电荷效应较强时,二次电子才会对腔体外系统电磁脉冲产生影响.本研究有助于更好地通过数值模拟来获得具体装置在强辐射环境下的系统电磁脉冲响应.

系统电磁脉冲模拟中的发射电子参数计算

为深入研究系统电磁脉冲(SGEMP)特性,通过蒙特卡罗程序MCNP计算并总结了发射电子能谱、θ方向角分布以及光电产额等发射电子参数的变化规律,给出了不同X射线黑体温度下表征射线能量的能谱参数E_1。利用3维全电磁PIC程序对SGEMP进行模拟,并将模拟结果与用X射线黑体温度T近似代替能谱参数E_1取值方式下的模拟结果进行了对比。结果表明,低能射线的能谱参数与黑体温度近似相等;而高能射线的能谱参数与黑体温度存在偏差,会导致SGEMP模拟计算的电磁场峰值产生偏差。

神光-Ⅲ装置腔体系统电磁脉冲的3维电磁粒子模拟

采用3维电磁粒子模拟方法,在常规的电磁场时域有限差分(FDTD)算法和粒子模拟方法的基础上,通过有效电荷分配方法避免了繁琐的泊松修正过程,引入时偏算法滤除了迭代过程中的高频噪声,结合共形网格技术对曲线边界进行建模,对神光-Ⅲ装置靶室环境内的腔体系统电磁脉冲进行了仿真,在距离电子发射端面9 cm的平面上获取了3个对称位置取样点的电场时域波形及其变化规律,得到电场强度峰值约为55 kV·m-1。通过与2维仿真和常规FDTD 3维仿真的对比分析,验证了电磁场的环向对称性和3维电磁粒子模拟方法计算结果的可靠性。