高功率微波介质窗沿面闪络击穿的粒子流体混合方法模拟研究

As the increasing of peak output power (>1GW) of High-Power Microwave (HPM), output microwave pulse shortening frequently. The shortening mechanism is the interaction between high density of electromagnetic energy/power and plasmas induced by multipactor discharge and outgassing ionization on kinds of device structure surfaces. Here, the dielectric window breakdown, as the major factor of limiting the transmission and radiation of HPM, will be numerically studied in this project. For describing the dielectric surface flashover and breakdown under excitation of HPM, field-induced emission, multipactor discharge, outgassing and gas ionization will be dynamically modeled in detail. Based on it, adopting hybrid Particle In Cell-Monte Carlo Collission (PIC-MCC) and fluid model in quasi-2D and 3D, the whole breakdown process, including creation of seed electrons, multipator discharge and surface plasma forming, will be numerically investigated depending on different HPM operation conditions such as microwave power, frequency, vacuum conditions and so on. The studying will present the different mechanism between surface and volume breakdown. In addition, potential suppressing ways of breakdown, e.g. external magnetic fields and surface notching, will be numercially analyzed. At the same time, the studied results will provide theoretic explanation and reference for the experiment and reinforcement of HPM window breakdown.

随着高功率微波（HPM）源器件输出功率的持续提高，输出微波脉冲呈现明显缩短现象，限制了HPM实用化进程。该现象主要是由器件内高能量/功率密度电磁场引发的，尤其是介质窗表面因次级电子倍增和退吸附气体电离导致的等离子体生成过程。本课题在深入分析介质次级电子倍增、表面释气以及退吸附气体碰撞电离物理过程的基础上，采用蒙特卡罗碰撞粒子模拟（PIC-MCC）与流体模型结合的研究方法，通过编制相关准2维和3维程序，数值研究HPM介质窗沿面闪络与放电击穿的基本物理规律，系统考察介质表面附近初始电子生成、次级电子倍增、气体碰撞电离直至等离子体形成导致击穿的整个物理过程及其与HPM源运行条件（如场强、频率、真空度等）之间的相互关联，探索HPM在介质表面发生的不同于体电离的面电离击穿机制，同时开展外加磁场及表面刻槽等方法抑制介质表面击穿的研究，为HPM窗实验研究和击穿防护提供理论依据，推进HPM实用化进程。

本项目针对高功率微波沿面闪络击穿现象，利用PIC-MCC粒子模拟方法和流体方法，系统考察研究了介质表面附近初始电子生成、次级电子倍增、气体退吸附、气体碰撞电离直至等离子体形成导致闪络击穿的整个物理过程及其与HPM源运行条件（场强、频率、真空度等）之间的相互关联，初步探明了HPM在介质表面发生的不同于体电离的面电离击穿物理机制，开展了外加磁场及表面刻槽等方法抑制介质表面击穿的数值模拟研究，为HPM窗的实验研究和击穿防护提供了理论依据和有益参考。具体总结如下：（1）编制了1D3V PIC程序，数值研究了外加轴向和横向静磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程，分析给出了两种不同外加磁场方式的次级电子倍增抑制机制，可为击穿加固设计提供理论依据。（2）利用蒙特卡罗方法开展了刻槽抑制二次电子倍增的数值模拟研究，模拟结果与实验现象进行了比对，吻合较好，可为击穿加固设计提供参考。（3）编制了P3D3V PIC程序，数值研究了矩波导传输TE10模式高功率微波在介质内、外表面次级电子倍增的物理过程，给出了考虑介质面微波场强分布下的3维次级电子倍增物理图像，并发现了次级电子倍增在介质窗内/外表面形成阶段所表现出完全不同的物理特性。（4）编制了1D3V PIC-MCC程序，开展了高功率微波沿面闪络机制的粒子模拟探究。（5）数值模拟与评估了高功率微波参数（场强、频率、极化、反射、脉宽等）与材料特性参数（次级电子发射率、表面粗糙度、释气能力等）对介质窗沿面闪络的影响，可为相关实验研究提供理论依据和相关参考。（6）为更加符合介质窗表面气压动态变换的真实物理过程，建立了电子碰撞介质表面动态释放气体分子的物理模型，研究发现弱/强释气过程中，碰撞电离对次级电子倍增的不同影响机制。（7）结合整体模型，利用粒子模拟方法对介质窗沿面闪络流体模型需要的相关电离反应参数进行确认和标定，为粒子与流体混合模拟奠定了坚实基础。（8）通过粒子模拟获取沿面闪络流体模型的相关电离反应参数，电磁场时域有限差分方法与等离子体流体模型结合，编制了1维、2维和3维程序，数值研究了高功率微波窗内外表面闪络击穿的不同物理机制，相关结果可为实验研究提供理论依据。