X波段带状注速调管注波互作用系统的3维PIC模拟

带状注速调管是采用宽高比值很大的薄矩形注来降低空间电荷效应,采用特殊的高频结构来增加功率容量,从而使注波互作用效率得到提高的一种新型微波电真空器件。本文对工作在π模状态下的X波段带状注速调管三间隙腔进行了模拟计算,并对由该型腔体构成的注波互作用系统进行了3维PIC模拟,给出了初步的模拟设计结果。模拟结果表明:在电子注电压为415kV,电流为250A时,该速调管可以获得大于29.6MW的输出功率、34.3dB的增益以及29.6%的效率。

虚火花放电初始过程的PIC模拟

比较了两种计算气体放电的模型——流体模型和PIC模型。利用PIC方法对虚火花放电初始放电过程进行了计算机模拟,揭示了三个放电阶段电离增长的特点。对不同的气压和阴极孔径下虚阳极的形成时间和传播速度进行了模拟计算。较高的气压和较大的阴极孔径能够加速虚阳极的形成,并加快向空心阴极扩展速度。研究了较高气压和低气压下空心阴极效应在形成虚阳极过程中的作用。在低气压下,空心阴极效应在起始放电过程中具有重要作用。

螺旋波等离子体推进器中双层形成的PIC模拟

建立了螺旋波等离子体推进器中双层等离子体形成过程的一维全粒子PIC模型,讨论了放电过程中电子加热模型和等离子体膨胀模型,计算了不同条件下螺旋波等离子体推进器中双层等离子体的分布。结果表明：采用氩气工质,在射频电流90A/m^2和工作压强0.05-0.15Pa的条件下,可产生双层等离子体,其密度为1.3×10^15-2.8×10^15 m^-3,双层电势降为10-30V,可加速氩离子束流,喷射速度为3-12km/s,双层加速效应对推进器的性能具有一定影响。

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的PIC模拟

该文根据谐波回旋速调管放大器的注.波互作用特点,分析了放大器稳定工作的条件:对Ka波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的注-波互作用进行了模拟计算,对放大器的注.波互作用电路参数进行了优化设计。模拟计算结果表明,在电子注电压为70kV,电子注电流15A,工作磁场为0.685T时,在35GHz频率放大器可以获得超过250kW的输出功率,大于21dB的增益,23%的效率和约为120MHz的带宽。计算结果为实际工程设计提供了有益的参考。

多脉冲激光增强太赫兹辐射的PIC模拟

模拟了强激光和稀薄非均匀等离子体相互作用在界面辐射超强太赫兹波的物理过程，提出了利用多脉冲激光增强太赫兹辐射的方案，详细研究了多脉冲激光的脉冲个数（取1～4个）、脉冲间距等因素对太赫兹辐射功率和频率的影响。当入射激光包含4个脉冲时，辐射最强，此时的辐射功率是相同条件下单脉冲的6倍，可达到7．16MW。辐射的太赫兹波的脉宽约为330fs，总能量约为1μJ。研究结果表明：多脉冲激光可以显著增强太赫兹辐射，且随着脉冲个数的增加，激起的电子静电波振幅变大。辐射功率也随之变大，直到尾流场饱和；当脉冲间距等于入射激光脉宽时辐射最强。

二维等离子体并行PIC模拟的性能分析及应用

通过区域分解法实现了二维等离子体粒子模拟程序并行化,并将此程序运行在由16个PentiumⅢ1 6GCPU组成的微机机群上,对其性能进行了测试.结果表明,在计算规模一定的情况下,并行程序的并行效率随计算结点的增加而降低;而在计算节点不变的情况下,并行效率随计算规模的增加而增加,并行计算更适合于计算规模大的物理问题.利用此并行程序计算了等离子体中的束流不稳定性,结果表明,在波动激发的线性增长阶段,等离子体束流激发的Alfv啨n波基本上沿背景磁场方向传播,其波数满足共振条件ω-kVb=-Ωi,其中ω和k分别为Alfv啨n波的频率和波数,Vb为束流的速度,Ωi为离子的回旋频率.

折叠波导行波管PIC模拟中的相位分析方法研究

由于非线性计算特别是场相位方面缺乏专门的分析工具及方法,一直难以对折叠波导行波管的电子效率及副特性进行准确分析。通过CST PARTICLE STUDIO的PIC仿真模块,利用行波管注波互作用中的轴向基波电流与轴向基波电场的相位差表征注波相位关系,提出了一种相位分析方法。通过比较V波段折叠波导行波管单跳变周期结构与均匀周期结构的注波互作用模拟结果,揭示了注波互作用中相位聚焦的物理机理,优化后电子效率提高了5.13%,验证了PIC模拟中相位分析方法的合理性。

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。

超强脉冲激光在密度递增等离子体中自聚焦的PIC模拟

采用Epoch代码模拟研究了强度达到1022 Wcm^(-2)的激光脉冲,在密度递增等离子体中的自聚焦过程。模拟结果表明,在此过程中,脉冲先经历成丝过程,然后光丝快速汇聚,形成聚焦;在聚焦过程中,可产生超陡脉冲激光,脉冲峰值强度与初始脉冲峰值强度相比可提高近20倍,达到1023 Wcm^(-2)量级。

出金属靶背超热电子回流的PIC模拟

自1994年Tabak提出快点火概念以来，与快点火相关的物理研究已成为激光惯性约束聚变（ICF）研究的前沿热点问题。在快点火方案中，超热电子的相关研究是目前最受关注的研究课题之一。

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。

Ar/Ne,He/Ne,Ne/N_2,O_2混合气体直流放电及PIC模拟分析

通过对混合气体氩和氖(Ar/Ne),氦和氖(He/Ne)以及氖和氮、氧气(Ne/N2,O2)直流辉光放电分析,结合等离子体粒子模拟实验(PIC),模拟分析了Ar/Ne、He/Ne、Ne/N2,O2在直流高压500V^1000V,低气压0.5Torr^1Torr,几种混合气体的直流辉光放电过程。通过模拟实验分析和阐述了混合气体电离后各种离子、电子、二次电子的动能、密度、相空间以及空间和能量分布。分析这些物理参量,能合理地解释按一定比例混合气体氩、氖、氦、氮气、氧气的直流辉光放电现象,在一定程度上,为各种填充气体的霓虹灯工艺提供了一定的理论参考。

电推进粒子网格法模拟中计算加速方法的研究综述

粒子网格法(PIC)模拟电推进装置等离子体时具有很强的第一性,但是模拟过程中计算负载很大,故PIC模拟的计算加速方法不可或缺。本文从电推进装置基本性质、低温等离子体物理特性和PIC算法特点作为切入点,明确了PIC方法在电推进装置模拟过程中计算负载高的原因;结合国内外的研究现状,从建模、时空尺度、算法与并行三个层面介绍了对应计算加速方法的原理和效果;对各类计算加速方法进行了总结和展望。

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.

电子-离子碰撞对超热电子影响的PIC模拟计算

超热电子 离子的产生和输运在传统的ICF方案和“快点火”方案中都是很重要的问题 .讨论了电子 离子碰撞对参量不稳定性产生超热电子的过程和超热电子输运过程的影响 .指出电子 离子弱碰撞项的加入增强了碰撞吸收 ,提高了热电子温度 ,降低了静电波破裂时的场能 .这些改变了超热电子的总能量和分布 ,使之更集中于静电波的相速 ;电子 离子碰撞的存在还增强了自洽电场 ,阻碍了超热电子的输运 ,同样也是超热电子能量下降的原因之一 .同时 ,为确保计算结果的可靠 ,讨论了初条件对PIC模拟计算的影响 ,指出空间位置随机热启动容易引入非物理因素 。

基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟

大型脉冲功率装置真空汇流区的电子输运过程对于电流汇聚有重要的影响,在高性能计算集群的帮助下,使用NEPTUNE3D软件开展三维全电磁PIC模拟进行了研究,模拟区域(34 cm×34 cm×18 cm)包括双层柱-孔盘旋(DPHC)结构和部分内、外磁绝缘传输线等关键位置。计算结果清晰地展示了零磁位区分布和电子输运轨迹,电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射,在洛伦兹力作用下向中心漂移并损失在零磁位区处;对电子能量沉积的统计结果表明,受电子流轰击最严重的位置在DPHC结构下层阳极柱表面,来自大型脉冲功率装置的实验结果证实了上述结论。根据计算结果,最大电流损失率(437 kA,27%)发生在电流传输的早期时刻(~15 ns),而电流峰值时刻损失率则仅有0.48%,此时磁绝缘已完全生效,表明DPHC结构在峰值电流的汇聚与传输上有很高的效率。

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。

氮气射频放电与直流放电PIC/MC模拟的比较

建立氮气容性射频等离子体过程的PIC/MC模型,将模拟结果与直流放电进行比较.结果表明:射频等离子体粒子(e,N 2+,N+)的平均密度较直流放电约大一个量级,在射频电极附近粒子(e,N 2+,N+)的平均能量比直流放电阴极附近的能量低3倍左右;密度偏低的原子离子N+在两电极附近具较高的能量,能量较低的分子离子N 2+在放电空间具较高密度,N 2+的密度大约是N+的6倍;计算的电子能量几率分布与测量结果一致.

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。

双阳极霍尔推力器效率及推力的模拟研究

为确定双阳极霍尔推力器中阳极电压分布对推力器效率及推力的影响,采用PIC三维数值模拟对双阳极结构霍尔推力器的放电过程进行了模拟。基于垂直分布的双阳极结构,得到了放电后离子羽流分布以及电子在放电区域的分布。通过对放电状态的模拟,计算得到了不同工况下的推力以及效率。在双阳极结构中第二阳极的电压增加会增大离子能量,但将影响电子约束,而过高的电压将引起电子密度减小。推力随着霍尔电流的增大而增大,但效率会随之减小,导致在提升推力的同时损失效率。