磁绝缘传输线高功率脉冲传输三维粒子模拟研究

磁绝缘传输线(Magnetical Insulated Transmission Line, MITL)是脉冲功率系统中实现大电流、高功率脉冲传输和汇聚的关键器件，在能源、国防和其他高新技术领域具有重要的应用。本项目通过粒子模拟研究MITL高功率脉冲传输的物理过程和规律，在现有数值模型的基础上，建立三维粒子模拟方法共形边界模型和阳极离子发射边界模型；通过粒子模拟得到复杂结构MITL高功率脉冲传输下电子流、离子流和电磁能量的瞬态演变过程，揭示MITL结构、电极材料等对传输特性的影响规律，并得到MITL的等效电容和等效电感；结合理论分析、数值模拟和实验验证，探索MITL的新型结构和优化设计方法。本项目为进一步提高脉冲功率系统的性能水平提供理论基础，对促进受控核聚变、核爆炸模拟、闪光X射线照相、高功率微波等领域技术的发展有重要的理论意义和使用价值。

建立了自适应共形时域有限差分算法，根据用户设定的控制因子计算出保持稳定的最小面积，并用于磁场推进从而保持稳定；对于共形网格下的粒子推进，建立了保持电荷守恒的粒子发射与吸收算法，模拟结果表明该算法计算精度高于传统方法，计算稳定；采用蒙特卡罗程序计算了金属材料的电子沉积能量和二次电子发射系数，基于表面阻抗边界模型实现了欧姆加热的计算，实现了温度阈值离子发射模型。对偏心结构、带支撑杆结构、弯曲结构的磁绝缘传输线进行了三维粒子模拟，得到了电子空间分布、电压、阴阳极电流和空间电子电流曲线，分析了不同结构的损失电流；在粒子模拟的基础上，结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式，建立了磁绝缘传输线损失电流的等效电路模型，对长同轴磁绝缘传输线电流损失现象的模拟表明，等效电路模型可以快速获得与粒子模拟基本相符的模拟结果。