卓红斌[1]2002年在《等离子体融断开关物理机制的粒子模拟研究》文中提出等离子体融断开关(PEOS)是现代辐射物理和惯性约束聚变等研究领域中脉冲功率技术的关键部件之一，其工作机理目前尚无完善的理论解释和物理模型描述，实验现象因装置的多样性而差别较大，开关性能则有待进一步的提高。因此研究PEOS内部复杂的物理机制是必要和有实际意义的。本论文的主要目的是通过数值模拟的方法，研究PEOS内部复杂物理现象的机制和规律，并探索改善开关性能的技术和有效途径。 考虑到PEOS物理现象涉及到等离子体和阴极发射电子的动力学行为以及空间电磁场的复杂变化，我们采用粒子模拟方法作为研究工具，研制了适用于PEOS物理问题模拟研究的二维柱坐标全电磁粒子模拟程序CYLINDER2-1／2D。该程序采用面向对象软件技术实现，程序结构合理且扩充性好。程序算法中采用了满足电流电荷连续性方程的电流分配方法和多时标推动粒子方法等，有效地提高了程序的计算速度。程序中实现了多种边界条件，如良导体、对称轴、入射波等，详细地介绍了阴极表面爆炸发射电子的算法处理和程序实现。利用该边界，模拟了平面二极管真空电子发射现象并得到了二维child-langmuir定律的关系曲线。 利用粒子模拟程序，模拟研究了低密度(≈10~(12)／cm~3)PEOS的导通和断路过程。诊断发现了阴极表面非中性鞘层的形成、阴极电子发射、电流通道的漂移、等离子体离子加速以及阴极电子磁隔离等物理现象，揭示了这一断路器件的物理机制；分析了阴极电子对PEOS导通过程中的物理现象的影响，模拟结果显示：忽略阴极电子作用，磁场渗透现象主要出现在阴极表面区域，考虑阴极电子作用，磁场渗透现象出现在整个等离子体区域。模拟得到的低密度(10~(11)／cm~3～10~(13)／cm~3)条件下导通和断路时间与等离子体密度的定标关系曲线显示：密度对于导通时间的影响远大于对于断路时间的影响；阴极电子对于PEOS导通过程的影响程度与初始等离子体密度有关，初始密度越大，阴极电子的影响就越小。 利用粒子模拟程序，对中密度(≈10~(13)／cm~3)C~(++)等离子体和H~+等离子体均匀分布和非均匀分布条件下PEOS中的磁场异常渗透现象进行了模拟研究。模拟结果显示，在满足霍尔渗透条件的区域里，均出现了快速的磁场渗透现象。不过，值得注意的是仅有均匀分布的C~(++)等离子体条件下，磁场渗透速度与简化流体理论分析结果基本相同，而其它条件下的磁场渗透速度均与理论结果存在一定的差异。这表明其他因素如强二维效应、静电加速、磁压作用以及等离子体热压力在一定条件下可能会严重影响磁场的渗透过程。 利用粒子模拟程序，对高密度(10~(15)／cm~3)PEOS导通电流最后阶段真空鞘层的形成过程进行了模拟研究。根据其间电流通道分布和等离子体分布的变化情况具体地分析和讨论了真空鞘层的形成机制，对已有的融蚀模型进行了修正，使其可以描述高密度条件下PEOS的断路机制。 利用粒子模拟程序，对高密度PEOS真空鞘层尺度进行了模拟定标。模拟结果、实验结果和简化理论结果的对比验证了已有的定标关系(真空鞘层的宽度等于阴极电子的临界磁隔离半径)。另外，根据模拟结果还得到了两个重要结论：电流损失是由真空漂移电子的出现所造成的，电流损失的大小与负载阻抗成近似正比关系；负载阻抗等于PEOS的流阻抗时，负载获得功率最大。
卓红斌, 常文蔚, 徐涵[2]2001年在《等离子体融断开关磁场Hall渗透机制的模拟研究》文中提出利用自行研制的 2 -1 /2维全电磁柱坐标粒子模拟程序对等离子体融断开关磁场渗透机制进行了模拟研究。模拟结果表明在磁场 Hall渗透机制特征长度远远小于等离子体离子的无碰撞趋肤深度的条件下 ,等离子体内部磁场渗透过程主要由电子流体运动的 Hall项来控制。对于等离子体空间分布存在较大的密度梯度的物理问题 ,必须考虑二维空间特性对磁场渗透速度的影响。在磁场已渗透经过的等离子体区域中 ,等离子体呈现非电中性 ,离子受静电场的作用会加速运动到达阴极 ,最终形成真空鞘层
卓红斌, 常文蔚, 徐涵, 马燕云[3]2001年在《高密度等离子体融断开关融蚀现象的粒子模拟研究》文中指出利用自行研制的 2 .5维全电磁柱坐标粒子模拟程序对高密度等离子体融断开关融断区域中的融蚀现象进行了模拟研究 ,详细地介绍了计算模型的建立以及复杂边界的算法处理。模拟结果表明在融断开关导通电流的最后阶段 ,由于磁压力、磁场渗透作用和非中性静电融蚀作用 ,在融断区域的阴极附近会形成一定宽度的真空鞘层。由于等离子体密度的下降以及初始真空鞘层的存在 ,使得即使只有较小的离子电流 ,融蚀机制也完全可以导致 PEOS最终断开
卓红斌, 常文蔚[4]2002年在《粒子模拟场致发射边界的实现》文中认为简单地介绍了Marder提出的伪电流修正方法 .这种方法可以迅速有效地消除空间网格上电流分配方法带来的电荷误差 .在此种方法的基础上 ,给出了粒子模拟场致发射边界的实现算法 ,并进行了等离子体融断开关的模拟研究
卓红斌, 常文蔚, 马燕云, 徐涵[5]2000年在《融断开关等离子体中磁场的异常渗透》文中研究指明简单地介绍了柱坐标粒子模拟算法及实现 ,利用粒子模拟方法对等离子体融断开关导通过程中的磁场渗透问题进行了模拟计算 ,针对不同的模拟条件出现的模拟结果进行了理论分析 ,给出了合理的物理解释。
徐翔[6]2007年在《柱状等离子体断路开关的磁流体动力学模拟》文中认为等离子体断路开关(Plasma Opening Switch，简称POS)是脉冲功率驱动器中的关键器件之一。基于等离子体断路开关的电感储能装置较电容储能装置而言具有体积小、成本低、结构简单等优点，在Z箍缩、高功率微波、X射线源、可重复脉冲功率源等装置的设计中有广泛的应用前景。实验已经发现：在POS的导通过程中存在许多复杂的物理现象，如磁场的快速穿透、等离子体密度出现薄化和形成密度激波、多离子体系中轻重离子分离等。这些现象对POS的导通和断开有重要的影响，特别是能量输运将直接影响脉冲功率驱动器的能量转换效率。因此，非常有必要对POS的导通过程及相关物理现象产生的机理进行深入细致地研究。在第二章，基于包含能量输运过程的二维磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，简称MHD)理论，我们对柱状长导通POS中导通阶段进行了模拟。结果发现：高密度POS的导通机制是MHD机制，主要是磁压作用决定磁场的穿透过程。在磁场的穿透过程中，磁压使得等离子体在磁场穿透的区域出现密度薄化现象，在磁场激波前沿形成密度激波。同时，由磁压导致的压缩效应使得激波区域的等离子体温度迅速升高。而对于低密度的POS，其导通机制是Hall MHD机制，主要由Hall效应来决定磁场的穿透过程。由于磁压的作用很小，在磁场的穿透过程中并没有出现密度薄化现象，形成的密度激波也不明显，等离子体的温度也没有显着升高。对于低密度长导通的POS，主要是焦耳热的作用使得等离子体的温度上升。考虑能量输运后产生的温度梯度力，对高密度POS中的磁场穿透过程有显着的加速作用，而对于低密度POS中的磁场穿透过程影响不大。在第叁章，基于MHD理论，我们推导出高密度长导通POS中能量分配关系的一般表示式，并研究了不同的输入电流波形对能量分配关系的影响。模拟结果表明，当发生器中的电流波形是常电流时，有一半的电磁场能耗散为等离子体的内能和动能；当发生器中的电流波形是线性上升电流时，进来的电磁场能有叁分之二转化为磁场能；当发生器中的电流波形是正弦电流波形时，有大半的能量转化为磁场能，扩散到等离子体中的能量只为总能量的36.4％。由于等离子体温度显着升高，有相当多的电磁场能转化为等离子体的内能。在第四章，为了检验程序的可靠性，对长导通POS中的定标关系进行了模拟。首先将模拟结果与理论得到的定标关系进行比较，发现两者是一致的。接着又进一步对HAWK装置中的定标关系进行了模拟，发现模拟结果和实验结果也是吻合的，从而验证了模拟程序的可靠性。本文还在模拟中，把POS右边的真空区包含进来，对在最近的纯氢实验中观察到与传统的定标关系不符的现象给出了的解释。在模拟中发现，漂移到POS下游区的等离子体可显着延长POS的导通时间。考虑下游区等离子体的影响后得到的定标关系，和实验比较相符。在第五章，基于双流体理论，假设电子和离子的温度在导通过程中是恒定的，建立了二维双流体程序，对短导通POS的导通阶段进行了模拟。模拟结果表明：随着POS的导通，出现明显的电荷分离现象，电子从阴极向阳极运动的轨迹象一个S型，在阳极表面形成堆积。在模拟中还观察到明显的轻重离子分离现象。由于轻离子的质量远小于重离子，轻离子的运动的远比重离子快，最终轻离子在磁场前面被反射，而重离子被磁场所穿透。
徐涵[7]2002年在《激光尾流场加速电子机理的粒子模拟研究》文中进行了进一步梳理利用超短脉冲超强激光在稀薄等离子体中激发的尾流场来加速电子，是设计小型电子加速器的一种重要机制。本文的目的是：利用粒子模拟方法，研究和比较激光尾流场加速电子的四种主要方案：短脉冲激光尾流场加速(LWFA)、多脉冲激光尾流场加速(MP-LWFA)、拍频束尾流场加速(PBWA)、自调制激光尾流场加速(SM-LWFA)。着重讨论尾流场的饱和机制以及电子参量不稳定性对产生尾流场和加速电子的影响。 为了解决研究激光和稀薄等离子体相互作用所需的大量计算，我们研制了2 1／2D分布式粒子模拟并行程序，在微机群和巨型机YH—IV对程序并行性能进行了测试得到了较高的加速比。此外，对粒子模拟中的一些算法进行了改进，主要包括： 1．对“吸收边界”条件作了系统的分析，将Lindman吸收边界条件作了推广，使之适用于各种极化条件以及3DPIC粒子模拟。 2．本文运用两体碰撞模型，对电子和电子、电子和离子、离子和离子之间两体库仑碰撞对速度的改变作了相对论性修正。 3．在粒子的始化过程中，我们提出了一种实现叁维速度均为Maxwell分布的算法，此外我们提出了一种在多维粒子模拟中实现静止启动的近似办法。 我们利用研制的2 1／2D带碰撞相对论性粒子模拟并行程序PPICC，对激光尾流场加速电子的四种机制一一作了研究，主要工作为： 1．在LWFA中，我们主要研究“前向受激Raman散射”对尾流场加速电子的影响。结论是：当脉冲长度接近等离子体波长时，稀薄等离子体将发生“前向受激Raman散射”，它使脉冲后沿拉长，导致尾流场的相速度变小，以至于被尾流场“捕获”的电子最大动能大大下降。 2．在MP-LWFA中，我们研究不同的脉冲长度、不同的脉冲间隔对产生尾流场的影响，着重讨论尾流场的饱和机制。粒子模拟结果表明：激发尾流场的激光脉冲的长度有一个最佳值，对于Gauss型脉冲，该值为L_(FWHM)=0.3λ_p。接着我们比较“优化脉冲间隔”和“固定脉冲间隔”两种多脉冲尾流加速方案，得到：更合理的脉冲安排应该为：脉冲间隔不断增大，脉冲长度也不断增大。我们接着研究“拍频束尾流场加速”，证实多脉冲尾流场加速的主要饱和机制为“相位失谐”，模拟得到的静电场饱和时间与理论结果相当符合。此外，我们还研究“位相相反”的两个脉冲在稀薄等离子体中的传播，第二个激光脉冲由于吸收了前一脉冲激发的静电场，频率向高频方向漂移，得到频移的大小与符合理论推测。 3．在SM-LWFA中，我们考虑长度为几个等离子体波长的激光脉冲，在“调制不稳定性”作用下激发尾流场加速电子的过程。我们首先提出“叁角脉冲激发尾流场加速电子”的方案，利用“叁角脉冲”平缓的上升沿激发“受激Raman散射”预加热电子，其陡峭的下降沿激发尾流场可以使更多的电子被“捕获”。接着我们研究激光脉冲在“自聚焦”和“调制不稳定性”的联合作用下，断裂成间隔约为λ_n。的片段，这些脉冲“片段”激发尾流场加速电子的过程。在SM-LWFA中的模拟过程中发现：“侧向Raman散射”发挥了重要作用，它激发的横向电子密度扰动削弱了纵向的电荷分离，使尾流场的振幅以及“捕获”时电子的最大动能都下降。此外我们提出利用窄脉冲的横向有质动力抑制“侧向受激Raman散射”的设想，并在粒子模拟中得到证实。 国防科学技术大学研究生院学位论文 4．我们还研究了有限束宽对激光尾流场加速电子的影响。当脉冲宽度较大时，如果激光 功率远高于临界功率，激光脉冲将在等离子体中发生“自聚焦”，由此引发的“湍流 不稳定性”可以导致激光能量的反常吸收，激光60％以上的能量转化为电子动能。如 果激光脉冲宽度很窄，即使激光功率高于临界功率，也不能发生“自聚焦”。但脉冲 的横向有质动力将导致横向波破发生，电子在横向获得很高速度，它一方面使更多的 电子发生了“电子捕获”；另一方面导致激发的尾流场振幅下降，进而“捕获”时电 子的最大动能下降。 鉴于“受激naman散射”在尾流场加速电子方面的重要性，我们还研究了长脉冲激光激 发“受激naman散射”的情况。 1．首先我们研究中等密度（nc＞n＞0．25丁nc）等离子体中的“受激Raman散射”过程。 在这一密度区域，传统的观念认为是不能激发“受激aaman散射”的。我们研究不同 入射激光强度（a—0．45～1．73）、不同等离子体密度（。二 0．30—0．80）下，静电 波的增长率与激光强度、等离子体密度的关系，与ID非线性理论比较发现：增长率 符合得较好，而最快增长波矢模式在a＞0．55时比理论估计的偏小。我们的ZD粒于模 拟结果还表明：与ID理论不同的是，等离子体还将激发“激光成丝不稳定性”和“侧 向aaman散射”，我们的一个新结论是：“侧向naman散射”很
卓红斌, 胡庆丰, 常文蔚, 徐涵[8]2003年在《爆炸电子发射边界的粒子模拟实现》文中研究指明介绍了自行研制的全电磁柱坐标粒子模拟程序的电流分配方法和金属爆炸电子发射边界的模拟实现,该电流分配方法满足电荷电流连续性方程,避免了繁琐的泊松修正,适用于复杂边界物理问题的模拟研究。基于此电流分配方法的基础上,给出了建立在高斯定理基础上的简单且易于程序实现的阴极发射边界算法。利用该程序对平面二极管电子发射现象的模拟结果证明了算法的正确性。
杨学文, 李帅, 李剑明[9]2019年在《医用回旋加速器射频系统发射射频信号的必要组成单元分析》文中研究说明介绍了医用回旋加速器射频(radio frequency,RF)技术的发展历史,分析了RF系统成功发射RF信号的必要组成单元包括高频功率源、馈通电缆、RF谐振腔和加速电极3个部分,阐明了RF信号的产生与放大机理及其在RF谐振腔内的耦合过程。指出了RF系统是医用回旋加速器众多子系统中最复杂的系统之一,发生故障时,将理论知识与经验相结合,可及时发现故障原因,从而缩短故障停机时间,及时恢复正常运行,对提高医用回旋加速器的使用效率具有重要意义。
参考文献：
[1]. 等离子体融断开关物理机制的粒子模拟研究[D]. 卓红斌. 国防科学技术大学. 2002
[2]. 等离子体融断开关磁场Hall渗透机制的模拟研究[J]. 卓红斌, 常文蔚, 徐涵. 强激光与粒子束. 2001
[3]. 高密度等离子体融断开关融蚀现象的粒子模拟研究[J]. 卓红斌, 常文蔚, 徐涵, 马燕云. 强激光与粒子束. 2001
[4]. 粒子模拟场致发射边界的实现[J]. 卓红斌, 常文蔚. 计算物理. 2002
[5]. 融断开关等离子体中磁场的异常渗透[J]. 卓红斌, 常文蔚, 马燕云, 徐涵. 强激光与粒子束. 2000
[6]. 柱状等离子体断路开关的磁流体动力学模拟[D]. 徐翔. 大连理工大学. 2007
[7]. 激光尾流场加速电子机理的粒子模拟研究[D]. 徐涵. 国防科学技术大学. 2002
[8]. 爆炸电子发射边界的粒子模拟实现[J]. 卓红斌, 胡庆丰, 常文蔚, 徐涵. 强激光与粒子束. 2003
[9]. 医用回旋加速器射频系统发射射频信号的必要组成单元分析[J]. 杨学文, 李帅, 李剑明. 医疗卫生装备. 2019
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