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高功率微波窗内外表面闪络击穿流体模拟研究
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:Acta Physica Sinica
  • 时间:2014.9
  • 页码:185206-01-185206-13
  • 分类:TN111[电子电信—物理电子学]
  • 作者机构:[1]北京应用物理与计算数学研究所,北京100094
  • 相关基金:国家重点基础研究发展计划(批准号:2013CB328904)、国家自然科学基金(批准号:11305015,11105018,61201113,11371067)和中国工程物理研究院科学技术发展基金(批准号:2012B0402064)资助的课题.
  • 相关项目:基于转换矩阵的人工边界法研究及其在纳米天线模拟中的应用
中文摘要:

建立理论模型,将电磁场时域有限差分方法与等离子体流体模型结合,编制一维电磁场与等离子流体耦合程序,数值研究了3 GHz高功率微波窗内外表面闪络击穿的不同物理过程。研究结果表明:外表面闪络击穿中,输出微波脉宽缩短(未完全截止),窗体前均方根场强呈驻波分布,波节与波腹位置不变,窗体外表面形成有一层高密(约1021·m^-3量级)极薄(约mm量级)等离子体(扩散缓慢),入射波可部分透过该薄层等离子体,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;降低初始等离子体密度、厚度、入射波场强及缩短入射波脉宽等方式,可不同程度地改善输出脉宽缩短效应。内表面闪络击穿中,窗体前均方根场强亦出现驻波分布(但波节与波腹位置随时间变化),等离子体向波源方向运动;强释气下,输出脉宽缩短(未完全截止),形成多丝状高密(约10^21·m^-3量级)极薄(约mm量级)等离子体区域(扩散缓慢),间距1/4微波波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、低场强下,脉宽缩短有所改善(但最终截止),形成多带状致密(约10^18·m^-3量级)略厚(mm-cm量级)等离子体区域(扩散较快),间距1/4波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、高场强下,脉宽缩短严重(很快截止),形成块状高密(约10^21·m^-3量级)较厚(约cm量级)等离子体区域(扩散迅速),脉宽缩短主要源于等离子体反射效应。

英文摘要:

In this paper, an electromagnetic-field FDTD method coupled with plasma fluid model is put forward to investigate the different physical phenomena of high power microwave (HPM) flashover and breakdown on inner and outer surface of output-window. Based on the above theoretical models, a one-dimensional (1D) electromagnetic field and plasma interaction code is programmed by authors. By using the code, the HPM flashover and breakdown on inner and outer surface of output-window are simulated. The numerical results could be concluded as follows. For flashover and breakdown on outer surface, output microwave pulse is shortened without cut-off; there is a standing-wave distribution of electric field RMS (Root-Mean-Square) value before the window with fixed-positions of wave nodes and antinodes;there is a ultra-high-density (~ 1021 m-3) and ultra-thin (~mm) plasma shell with slow diffusion, microwave could penetrate the plasma-shell partly; the shortening of output microwave is caused by plasma absorption mostly. The output pulse of microwave could be lengthened by reducing the initial density or depth of plasmas; the other way is to shorten incident microwave pulse or reduce the value of incident microwave power. For flashover and breakdown on inner surface, there is also a standing-wave distribution of electric field RMS value before the window but the positions of wave nodes and antinodes vary with time; the plasma region moves toward the microwave source; with strong-outgassing, output microwave pulse is shortened without cut-off, there are“thread-like”ultra-high-density (~10^21 m^-3) and ultra-thin (~mm) plasma regions with slow diffusion, the distance between two “thread-like” regions is about a quarter of microwave wavelength, the shortening of output microwave is caused by plasma absorption mostly;with weak-outgassing and low electric field value, the output pulse of microwave is lengthened but cut-off finally, there are “belt-like” high-density (~10^18 m^-3)

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876