磁场对电子回旋共振中和器等离子体与电子引出影响的数值模拟

10 cm电子回旋共振离子推力器(ECRIT)的ECR中和器是关键部件,其内部磁场是影响中和器性能的重要因素.磁场的均匀性和磁阱位置是磁场特征的重要表现,制约等离子体与电势的分布规律、电子引出过程及中和器性能.本文分别建立磁场均匀性低、磁阱位于电子引出孔上游和磁场均匀性高、磁阱位于电子引出孔下游的ECR中和器PIC/MCC模型,在给定参数条件下,开展等离子体和电势分布规律及电子引出过程的数值模拟研究并分析其对中和器性能的影响.结果表明,磁场均匀性高、磁阱位于电子引出孔下游时,中和器内整体电势分布较均匀,电子容易朝磁阱区迁移,低引出电势引出高电子束流,其性能高于磁场均匀性低、磁阱内置的中和器.研究工作将为发展高性能的ECR中和器奠定重要基础.

三维PIC数值模拟中二次发射的实现

探讨了电子撞击金属表面产生二次电子的理论,介绍了二次电子发射系数、非弹性背散射电子能量分布等重要物理参数的计算式。根据相关的理论及公式,编写了三维PIC数值模拟程序的二次发射模块,建立相应的数值模型进行模拟。模拟所得的二次电子发射系数及非弹性背散射电子的能量分布等主要参数与理论值一致,验证了模拟过程的正确性。

Ar射频放电特性随时间演化的PIC／MCC模拟

采用等离子体粒子模拟方法(PIC/MCC)方法对一维模型模拟了容性耦合等离子体(CCP)源放电过程中等离子体的动力学行为。在模拟氩气放电的过程中,综合考虑了电子与Ar之间的弹性碰撞、激发、电离以及Ar与Ar+之间的弹性碰撞和电荷交换过程。由模拟结果可知,射频极板附近鞘层区域在极短时间内形成,其厚度随着时间的增加而增厚;而射频极板处的粒子通量随着时间的增加逐渐减小。经过一段时间后,射频极板处平均粒子通量、平均电流以及鞘层平均厚度逐渐趋于平衡。在鞘层区域电流主要由位移电流构成,在等离子体区域电流主要由传导电流贡献。最后讨论了达到平衡态后等离子体密度、电势、电场强度和能量的空间分布情况。

基于PIC模拟的中性气体多元多相模型及其数值求解

针对PIC模拟程序中性粒子状态的描述问题,建立了等离子体中多元多相中性气体的流体模型,研究了与其相关的边界条件的处理方法,采用二阶精度的Beam-Warming差分格式进行数值方法,成功地应用于气体绝热点源扩散过程的数值运算,所得结果与理论取得很好的一致。该模型将用于扩充PIC粒子模拟程序对中性粒子状态的描述。

基于三维PIC数值模拟的2 cm ECRIT推力控制计算

无拖曳控制是空间引力波探测的关键技术,主要由微型推力器完成。微型电子回旋共振离子推力器(ECRIT)体积小、推力可调,可用于空间引力波的无拖曳控制。基于三维PIC数值模拟方法计算微型2 cm ECRIT的推力控制范围,分析其用于无拖曳控制系统的可行性。首先计算不同栅极孔径下的推力性能和栅极聚焦特性,获得合理栅极结构,再计算栅极电压、栅极前离子密度对推力器性能的影响,获得满足无拖曳控制要求的推力器性能参数范围。结果表明:减小栅极孔径能降低推力,但同时影响栅极聚焦效果;调节栅极前离子密度可大范围调节推力;在给定的栅极结构和栅前离子密度下,存在合适的栅极加速电压区间保证离子的良好聚焦。综合考虑推力性能和栅极聚焦特性,选择屏栅孔径0.6 mm、加速栅孔径0.34 mm的栅极,当栅极前离子密度分别为1×1017,0.7×1017,0.4×1017,0.2×1017 m-3时,通过调节加速电压,可实现5.05~141.44μN的推力调节。此研究将为分析ECRIT应用于引力波探测的可行性奠定基础。

偏压对射频空心阴极放电特性影响的PIC/MCC模拟研究

采用粒子网格(PIC)法与Monte Carlo碰撞(MCC)模型相结合的方法(PIC/MCC法),研究了在射频空心阴极放电系统中,负直流偏压(-10～-50 V)对放电特性的影响。通过模拟获得了在不同的外加负直流偏压下,空心电极孔内的电子密度、径向电场、轴向电场等参数的变化。计算结果表明,随着偏压从-10增加到-50 V,阴极孔内电子密度和径向、轴向电场逐渐增大;加偏压的孔内电子密度和径向、轴向电场比不加偏压的更大。从放电早期到达到稳定放电的过程中,电子逐渐从接地阳极附近移入空心电极孔内,孔内电子密度和径向、轴向电场随时间增长而增大;在同一时刻,放电系统施加偏压的孔内电子密度和径向、轴向电场比不加偏压的更大。达到稳定放电后,孔内电子密度和径向、轴向电场等不再发生变化。

LIPS-200离子推力器放电室原初电子动力学行为的数值模拟研究

为了得到试验测量不到的气体放电过程中电磁场作用下单个原初电子的动力学行为，建立了LIPS-200离子推力器放电室二维仿真模型，应用网格粒子法（PIC）和蒙特卡洛碰撞（MCC）模拟法对其进行了研究。模拟得到在额定工况下原初电子和中性原子之间的碰撞概率、原初电子损耗率、电磁场分布对其运动速度及运动轨迹的影响等。结果表明磁铁表面磁感强度最大，越靠近放电室内部磁感强度越小，对称轴区域无磁场分布，原初电子在电磁场作用下沿磁力线作加速螺旋运动；运动等离子体的自洽电势大小范围仅为0~2.0V，几乎不会影响等离子体运动；对应总原初电子个数为1.2×106时直接被阳极表面吸收的损耗率仅为0.02%。

一次春季暴雨不稳定条件和对流触发机制的数值模拟研究

2003年4月中旬发生在山东一带的中尺度对流系统引发了一次罕见的春季大暴雨。在不稳定的大尺度环境中,触发条件决定了对流系统在何时、何地发生。触发条件通常位于近地面层中,水平尺度也很小,常规资料无法揭示出来。为此,采用数值模拟和数值模拟敏感性试验并结合客观分析对它的发生机理进行了诊断。结果表明,此次暴雨是由MCS(中尺度对流系统)的两次发展造成的。第1次是比较典型的华北MCC(中尺度对流复合体)过程,它是由地形强迫抬升触发了初始对流。第2次初始对流是由午后的边界层辐合线触发的,从华北平原南下的浅薄冷空气也起了重要作用。另外,最大对流有效位能(MCAPE)对初始对流的发生位置有很好的指示意义。

无箔二极管径向绝缘的数值模拟研究

介绍绝缘子表面闪络的物理机制 ,对四种径向绝缘结构模型 ,用 PIC数值模拟方法计算绝缘子表面的电场分布 ,比较它们三结合点以及沿绝缘子表面合成电场大小 ,加导引磁场 ,考虑电子束发射、模拟电子回流对绝缘子表面闪络的影响 ,由此提出优化结构 。

MILO物理分析与数值模拟

用二维全电磁ＰＩＣ方法模拟了空军实验室的磁绝缘传输线振荡器（ＭＩＬＯ），分析了ＭＩＬＯ的物理图象。在外加电压为５００ｋＶ与电流６０ｈＡ时，在Ｌ波段获得了１．ＳＧＷ数值模拟结果，与实验结果符合较好。特别研究了ＭＩＬＯ的各参数变化对其运行的影响，得到了一些有价值的物理规律。

径向渡越时间振荡器的数值模拟

用 2 .5维 PIC程序对径向渡越时间振荡器进行了数值模拟 ,给出了产生微波的详细物理图像 ,得出了输出微波功率与提取口大小、腔的径向间距、场模式之间的关系。模拟得到了峰值功率约5 0 0 MW,频率 5 GHz的 TEM1波 ,起振时间 1 5 ns,峰值效率大于 30 %

C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

利用2维半全电磁PIC程序进行数值模拟,设计了一种C波段磁绝缘线振荡器。该振荡器在阴极电子发射起点加圆环,控制此处电子束的发射密度,来减少电子能量的损耗,改善束-波互作用;逐渐加大慢波结构的后两个叶片的内半径,增大微波群速度,便于谐振腔中的能量输出,提高微波输出效率;采用两个扼流片有效地阻止了微波功率向二极管区泄漏,相应减小了器件的尺寸。当外加电压为430 kV、束流46 kA时,饱和后输出微波平均功率2 GW,频率3.51 GHz,功率转换效率10%。

材料二次电子发射特性对表面充电过程影响的数值模拟研究

使用PIC方法,实现了地球同步轨道恶劣亚暴环境材料表面充电过程的数值模拟。从最大二次电子发射系数δm和δm对应的能量Em这2个方面,比较了不同二次电子发射特性下表面充电过程及最终平衡电位的异同。

C波段磁绝缘传输线振荡器数值模拟与分析

用二维全电磁PIC方法对改进的磁绝缘传输线振荡器 (MILO)进行了模拟 ,对MILO的各项参数进行了研究 ,得到输入电压和慢波结构对MILO输出影响的规律。同时在实验上观察到与数值计算相一致的MILO工作主频不随输入电压变化的结果以及实验上证实MILO有明显的起始工作电压。

电子回旋共振放电物理过程的数值模拟进展

本文对电子回旋共振(ECR)放电及ECR等离子体特性模拟中的三种模型:粒子模型、流体模型、混合模型进行了综述、总结和对比,并应用PIC/MCC方法中的电磁模型,对ECR放电电离过程进行了准三维模拟,得出了部分ECR放电的电离特性。

离子推力器光学系统的二维PIC粒子模拟

建立了双栅离子光学系统的数理模型及其边界条件,采用PIC(Particle-In-Cell)方法,对双栅离子光学系统栅间的电位分布和粒子运动轨迹进行了模拟计算;其中双栅离子光学系统粒子运动轨迹采用蛙跳法进行模拟;栅间电位分布采用超松弛迭代法,优化结构后,可以大大减少撞击加速栅的粒子数。

激光等离子体作用中质子加速的数值模拟

为了研究激光等离子体相互作用中的高能质子加速的性质,运用二维PIC数值模拟法对质子束及其能量的分布情况进行了数值模拟。简单地介绍了靶背鞘层加速机制(TNSA)及其对高能质子加速性质的作用,通过对比质子束在薄靶背面发散角度的理论值和数值模拟结果,分析了质子束的传播特征。结果表明,被加速的高能质子速度越快其聚集性越好。

螺旋管源的离子引出和PIC模拟

离子引出系统的设计通常要求计算机编码的帮助。本文描述了基于配备有三栅引出系统的螺旋管源的实验装置，该装置作为一个离子源使用，介绍了一个基于胞中粒子法（PIC）的数值方法。对于不同的气体，将利用离子源所获得的结果与模拟结果进行了比较并用于证实计算机编码，该数值编码是离子源设计包中的首要组成部分，它涉及到栅的腐蚀和离子束流在靶上的分布。

离子电推进器模拟中Particle-in-Cell模型的发展与应用综述

离子推进器是一种被广泛应用于各类航天器中的重要动力装置。数值模拟在揭示离子推进器的物理机理和辅助结构设计等方面发挥了重要的作用,成为离子推进器研究中必不可少的研究方法。为了推动离子电推进技术的创新发展,并确保其能够持续满足当前和未来航天任务对推进技术的要求,详细总结了Particle-in-Cell(PIC)粒子模型在离子推进器模拟中的发展和应用现状。梳理和总结了放电室、栅极系统、羽流区这三个关键区域及多区域一体化建模的全PIC和混合PIC的研究进展。针对离子推进器数值模拟研究的需求,指出了粒子模型未来的发展方向,为离子推进技术的发展提供理论支撑。

基于PIC方法的GEO航天器表面材料充电过程研究

地球同步轨道航天器在地磁亚暴环境下处于向光面和背光面的两侧会产生电位差。本文利用高能电子和高能离子的双麦克斯韦分布拟合同步轨道环境等离子体并加入二次电子和光电子的影响,建立了航天器的三维计算模型,利用基于PIC(Particle In Cell)方法的仿真程序,计算了航天器表面各材料的充电电位及其附近的等离子体的电位分布,以及低能电子、高能电子、二次电子和光电子的密度分布和充电电流分布,最后探讨了航天器不同表面材料电势随时间的变化情况。