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等离子体融断开关物理机制的粒子模拟研究

作　者: 卓红斌
导　师: 常文蔚
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 等离子体融断开关粒子模拟物理机制磁场渗透真空鞘层阴极电物理现象阴极表面等离子体密度模拟研究
分类号: TL612.12
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

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(≈10¹²／cm³)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(10¹¹／cm³～10¹³／cm³)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(≈10¹³／cm³)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(10¹⁵／cm³)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。

全文目录

中文摘要  5-6
英文摘要  6-8
第一章绪论  8-21
  1．1 电感储能的高功率脉冲功率技术  8-10
  1．2 PEOS技术的特点及主要用途  10-12
  1．3 PEOS中复杂的物理机制  12-15
  1．4 本文的主要研究工作  15-21
    1．4．1 本课题的意义  15-16
    1．4．2 主要研究内容  16-21
第二章 PEOS的粒子模拟方法  21-39
  2．1 有限大小粒子  22-23
  2．2 推动电磁场步进的算法  23-26
    2．2．1 时域有限差分方法  23-25
    2．2．2 差分格式的基本特性  25-26
  2．3 推动粒子步进的算法  26-30
    2．3．1 牛顿相对论运动方程及差分形式  26-28
    2．3．2 多时标方法  28-30
  2．4 求解电荷密度与电流密度的算法  30-33
  2．5 初始条件  33-34
    2．5．1 电磁场初始条件  33
    2．5．2 注入等离子体初始放置  33-34
  2．6 边界条件  34-36
    2．6．1 良导体边界  35
    2．6．2 对称轴边界  35
    2．6．3 入射电流波边界  35-36
  2．7 物理量的无量纲化及网格噪声不稳定性  36-39
    2．7．1 物理量的无量纲化  36-37
    2．7．2 网格噪声不稳定性  37-39
第三章面向对象的粒子模拟程序CYLINDER2-1／2D  39-47
  3．1 引言  39
  3．2 粒子模拟的面向对象分析与设计  39-43
  3．3 粒子模拟程序的流程图  43-45
  3．4 粒子模拟程序功能介绍  45-47
    3．4．1 计算功能  45
    3．4．2 诊断功能  45
    3．4．3 扩展功能  45-47
第四章阴极电子爆炸发射边界的模拟实现  47-55
  4．1 引言  47-48
  4．2 简化模型  48-49
  4．3 模拟算法  49-51
  4．4 程序实现  51-52
  4．5 平面二极管真空电子发射现象的模拟  52-54
  4．6 小结  54-55
第五章低密度PEOS物理机制的模拟研究  55-71
  5．1 引言  55-56
  5．2 融蚀模型  56-58
  5．3 PEOS工作过程的粒子模拟研究  58-68
    5．3．1 非中性鞘层的形成  58-61
    5．3．2 PEOS的导通及断中过程中的物理现象  61-67
    5．3．3 导通和断路时间与等离子体密度关系的模拟定标  67-68
  5．4 小结  68-71
第六章中密度PEOS中磁场渗透现象的研究  71-85
  6．1 引言  71-72
  6．2 磁场异常渗透霍尔机制的简要分析  72-74
  6．3 磁场渗透现象的粒子模拟研究  74-81
    6．3．1 密度均匀分布PEOS的磁场渗透现象  74-78
    6．3．2 密度非均匀分布PEOS中的磁场渗透现象  78-81
  6．4 小结  81-85
第七章高密度PEOS断路机制的研究  85-100
  7．1 引言  85
  7．2 雪犁模型  85-88
  7．3 融断区域融蚀现象的粒子模拟研究  88-97
    7．3．1 融断区域的模拟方案  89-90
    7．3．2 粒子模拟计算结果与分析  90-97
  7．4 小结  97-100
第八章高密度PEOS真空鞘层尺度定标  100-116
  8．1 引言  100-101
  8．2 粒子模拟方案  101-103
  8．3 模拟结果讨论  103-111
    8．3．1 真空电子流与电流损先  103-106
    8．3．2 真空鞘层的定标关系  106-109
    8．3．3 能量耦合  109-111
  8．4 小结  111-116

等离子体融断开关物理机制的粒子模拟研究

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