虚火花放电产生电子束机理的模拟研究

论文摘要

近些年来,由于军事和科学研究对更高功率、更高能量微波源的需求,强流电子束技术成一门新兴的技术。发展高功率微波技术的关键器件是高功率电子枪,由于虚火花放电等离子体电子枪其工作电压高、放电电流强度大、放电产生的离子不直接轰击阴极等诸多优点,有望成为一种新型的电子束源。然而,到目前为止,虚火花放电的具体机制尚不清楚。本文主要围绕虚火花初始放电过程产生电子束机理的理论分析与计算机编程进行理论模拟计算展开研究工作,主要工作和创新之处如下:1.对虚火花放电等离子体电子枪的国内外研究情况,以及脉冲电子束技术的发展需求、发展现状、爆炸发射阴极的缺点等作了概述。对虚火花等离子体电子枪内放电室结构放电所用到的放电理论和产生等离子体放电的理论作了详细的阐述,对虚火花放电的有关基础理论作了进一步的探讨。研究阴极和电子枪的目标有两个,一是要提高电子束的电流密度,二是要较好地控制束流以减少多余的等离子体的形成。2.对虚火花空心阴极放电过程建立流体模型,流体模型由电子、离子质量连续性方程、动量方程、能量连续性方程及泊松方程的联立方程组成。对由电子、离子组成流体模型理论和编程所用到的理论关系作了详细的推导。对模型所用的方程组进行了详细的差分离散化,对对称轴上的电子、离子浓度、电子平均能量、电势等变量的差分格式和边界点上各变量的边界条件进行了推导,完成了流体模型的建立。3.本文重点工作在于利用时域有限差分法对流体模型的方程组进行离散,并利用MATLAB软件对虚火花放电模型的放电过程进行编写程序,在当地场近似,低气压下,对虚火花空心阴极初始放电过程进行了理论模拟计算。通过在时间轴上跟踪带电粒子群在电场中的迁移和扩散运动以及电离作用引起的空间电荷分布改变,而导致电场改变的过程,得到放电时的电场和带电粒子密度分布,电场的改变引起带电粒子分布的改变,而带电粒子分布的改变又反过来影响电场的改变,它是一个循环求解的自洽过程。通过这个自洽过程研究了虚火花空心阴极放电的特点,得到了放电过程中有关电子和离子的密度分布、电场分布特征的四个放电阶段。放电过程表明虚火花放电过程中虚阳极的形成和空心阴极效应对电子和离子的密度分布、电场分布起着重要作用。数值模拟计算结果说明,建立流体模型处理虚火花放电是一种适用的方法,相对其它方法有一定的优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 脉冲电子束技术的发展及其面临的困难
• 1.1.1 脉冲电子束技术的发展需求及发展现状
• 1.1.2 爆炸发射阴极的不足
• 1.2 新型电子枪—虚火花放电等离子体电子枪
• 1.3 虚火花放电国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 本论文的主要工作与意义
• 第二章 气体放电物理过程的理论基础
• 2.1 气体放电基本理论
• 2.1.1 气体放电的历史回顾
• 2.1.2 汤生气体放电原理
• 2.1.3 气体放电的着火条件
• 2.2 虚火花放电简述
• 2.3 粒子间的相互作用
• 2.3.1 电子能量转移和带电粒子的产生
• 2.3.2 带电粒子的消亡
• 2.4 带电粒子在电场中的运动
• 2.4.1 带电粒子的迁移运动
• 2.4.2 带电粒子的扩散运动
• 2.5 本章小结
• 第三章 虚火花空心阴极放电流体模型的建立
• 3.1 基本方程的推导
• 3.1.1 物质守恒定理和玻耳兹曼方程的推导
• 3.1.2 高斯定理与泊松方程的推导
• 3.2 连续方程离散化
• 3.2.1 Boltzman方程的差分格式
• 3.2.2 泊松方程的差分格式
• 3.3 对称轴上点的考虑
• 3.3.1 对称轴上点的电子浓度，离子浓度及电子平均能量
• 3.3.2 对称轴上点的电位
• 3.4 边界条件的处理
• 3.4.1 边界点上阴阳极间的电位
• 3.4.2 边界点上的离子浓度
• 3.4.3 边界点上的电子浓度
• 3.4.4 边界点上的电子平均能量
• 3.5 本章小结
• 第四章 虚火花放点过程流体模型的模拟计算
• 4.1 模拟放电的几何结构
• 4.2 原始数据来源
• 4.3 程序流程图
• 4.4 模拟计算结果及分析
• 4.4.1 放电的形成和演变过程
• 4.4.2 空心阴极的效应
• 4.4.3 电流的形成和变化
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果