针状电子束等离子体能量与电荷沉积问题的模拟和实验研究

发布时间：2018-11-07 18:38

【摘要】：电子束等离子体因其能量利用率高,电子温度低,易调控等优点在工业、航天、国防等领域得到了广泛的应用。具有千电子伏以上能量的电子束在中高气压气体中传输时通过电离气体产生等离子体,其能量沉积和电荷沉积过程决定了电子束等离子体的主要性质。本文从模拟和实验两方面对连续注入状态下针状电子束等离子体的物理性质开展研究,重点考察能量沉积和电荷沉积对电子束等离子体物理性质的影响上。模拟部分分为两部分。第一部分是将蒙特卡洛方法与等离子体连续性方程、泊松方程进行耦合,模拟三维空间内针状电子束等离子体的时空演化过程。蒙特卡洛方法用于模拟电子束在气体中的输运情况,得到的能量沉积和电荷沉积结果作为连续性方程和泊松方程的输入参数。模拟结果表明,电子束等离子体空间电位随时间的演化过程受到电荷沉积的影响,稳态值却仅与等离子体密度的空间分布相关,是双极扩散的结果。在远端无边界的情况下,空间电位在近电子束出口处为正值,在电子束射程末端达到最负。当边界小于电子束射程时,整个放电空间的电位几乎为正。迁移扩散流的计算结果表明返回至电子束入射面的等离子体迁移扩散流的稳态值与入射的高能电子束流达到平衡,扮演着三维空间"回流"的角色。第二部分是针状电子束等离子体普遍性质的解析研究。蒙特卡洛模拟结果表明能量沉积和电荷沉积具有自相似特征,即不同初始能量的高能电子在不同气压下的能量沉积和电荷沉积在以电子束射程归一化的空间内具有相同的空间形状因子。通过理论分析和推导,建立了三参数空间(放电气压P、电子束初始能量T0、电子束流Ib)内能量沉积和电荷沉积的解析表达式。从电子束等离子体的基本理论出发,基于适当假设,分别得到密度和空间电荷演化的独立模型,并给出解析解,建立它们与能量沉积、电荷沉积的解析依赖关系。利用自相似特征的数学表达式,最终建立等离子体密度、空间电位(电场)在三参数空间内的解析表达式。这些定量依赖关系由本文首次给出,系统刻画当外界控制参数((T0、P、Ib)发生变化时,等离子体主要宏观性质的变化,反映了针状电子束等离子体的普遍性质,具有科学和应用价值。实验部分分为三部分。第一部分是对装置基本性能的介绍,重点介绍对装置上原有差分装置的改进。基于Santeler提出的流导理论,经过理论推导和计算,发现在一定情况下短管对气流的阻碍作用与孔等同,据此重新设计了 3#差分孔。实验结果表明新差分孔可以达到与原有系统一样的气压差分效果,且具有不易烧毁、易定位等优点。第二部分是对针状电子束等离子体性质的实验测量。放电图像与经由蒙特卡洛模拟得到的等离子体形状基本相同,静电探针离子流空间分布的测量结果与蒙特卡洛得到的能量沉积在趋势上一致。在边界导体面Ⅳ曲线的测量中发现"最大电子流"和"正"悬浮电位,说明离子运动受限,这是中高气压等离子体的重要特点,对等离子体性质有重要影响。同时观察到"正"悬浮电位随着气压升高而增大,这与第三章的理论结果在趋势上一致。第三部分基于电子束流与等离子体密度时间关联的实验和模拟研究,建立小束流、中高气压下氩电子束等离子体中合适的动力学模型。利用电子束流波形中的特征频率f1=20 Hz,从实验上获得了探针离子流波形与电子束流波形之间的时间关联以及残留密度与气压、密度等参数的关系。将数值模拟结果与实验结果进行对比,认为小束流、中高气压下,氩电子束等离子体中激发态对等离子体密度的贡献可以忽略。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O53

【参考文献】