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垂直相交高功率微波大气击穿的理论研究

周前红 董志伟

垂直相交高功率微波大气击穿的理论研究

周前红, 董志伟
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  • 将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解, 对垂直相交高功率微波电离大气产生等离子体的过程进行了模拟研究. 对于相干(同频)垂直相交高功率微波束, 只有当初始自由电子出现在(或到达)强场(干涉加强)处, 自由电子才会被加速并与本底气体发生碰撞电离, 在放电的开始阶段, 等离子体区域主要沿着强场区运动, 并逐渐形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域. 这个带状等离子体区域足够长以后, 由于其对电磁波的吸收和反射, 其将等离子体两侧的两束微波分割开. 随着时间的推移, 在等离子体附近的强场区, 不断出现新的等离子体带. 比较发现, 当其他条件相同时, 相干微波束产生的等离子体区域比非相干微波束大.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11105018)、国家重点基础研究发展计划(批准号: 2013CB328904)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.
    [1]

    Gurevich A, Borisov N, Milikh G 1997 Physics of Microwave Discharges (New York: Gordon and Breach)

    [2]

    Raizer Y P 1991 Gas Discharge Physics ( Berlin: Springer)

    [3]

    Gurevich A V, Litvak A G, Vikharev A L, Ivanov O A, Borisov N D, Sergechev K F 2000 Phys. Usp. 43 1103

    [4]

    Gurevich A V 1980 Sov. Phys. Usp. 23 862

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    Vidmar R J 1990 IEEE Trans. Plasma Sci. 8 733

    [6]

    Eastland B J 2007 US Patent 0215946 A1

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    Vikharev A L, Ivanov O A, Litvak A G 2004 IEEE Trans. on Plasma Sci. 24 460

    [8]

    MacDonald A D 1966 Microwave Breakdown in Gases (New York: John Wiley & Son. )

    [9]

    Popovic S, Vuskovic L, Esakov I I, Grachev L P, Khodataev K V 2002 Appl. Phys. Lett. 81 1964

    [10]

    Esakov I I, Grachev L P, Khodataev K V, Bychkov V L, van Wie D M 2007 IEEE Trans. Plasma Sci. 35 1658

    [11]

    Hidaka Y, Choi E M, Mastovsky I, Shapiro M A, Sirigiri J R, Temkin R J 2008 Phys. Rev. Lett. 100 035003

    [12]

    Hidaka Y, Choi E M, Mastovsky I, Shapiro M A, Sirigiri J R, Temkin R J, Edmiston G F, Neuber A A, Oda Y 2009 Phys. Plasmas 16 055702

    [13]

    Cook A, Shapiro M, Temkin R 2010 Appl. Phys. Lett. 97 011504

    [14]

    Nam S K, Verboncoeur J P 2009 Phys. Rev. Lett. 103 055004

    [15]

    Boeuf J P, Chaudhury B, Zhu G Q 2010 Phys. Rev. Lett. 104 015002

    [16]

    Chaudhury B, Boeuf J P, Zhu G Q 2012 Phys. Plasmas 17 123505

    [17]

    Chaudhury B, Boeuf J P 2010 IEEE Trans. Plasma Sci. 38 2281

    [18]

    Zhou Q H, Dong Z W 2011 Appl. Phys. Lett. 98 161504

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    Zhou Q H, Dong Z W, Chen J Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 0125202 (in Chinese) [周前红, 董志伟, 陈京元 2011 物理学报 60 125202]

    [20]

    Kuo S P, Zhang Y S 1991 Phys. Fluids B 3 2906

    [21]

    Cummer S A 1997 IEEE Trans. Antennas Propagat. 45 392

    [22]

    Taflove A 2005 Computational Electrodynamics: the Finite Difference Time Domain Method (3rd Ed.) (MA: Artech House)

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    Gurevich A, Borisov N, Milikh G 1997 Physics of Microwave Discharges (New York: Gordon and Breach)

    [2]

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    Gurevich A V, Litvak A G, Vikharev A L, Ivanov O A, Borisov N D, Sergechev K F 2000 Phys. Usp. 43 1103

    [4]

    Gurevich A V 1980 Sov. Phys. Usp. 23 862

    [5]

    Vidmar R J 1990 IEEE Trans. Plasma Sci. 8 733

    [6]

    Eastland B J 2007 US Patent 0215946 A1

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    MacDonald A D 1966 Microwave Breakdown in Gases (New York: John Wiley & Son. )

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    Nam S K, Verboncoeur J P 2009 Phys. Rev. Lett. 103 055004

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    Taflove A 2005 Computational Electrodynamics: the Finite Difference Time Domain Method (3rd Ed.) (MA: Artech House)

  • [1] 周东方, 余道杰, 杨建宏, 侯德亭, 夏蔚, 胡涛, 林竞羽, 饶育萍, 魏进进, 张德伟, 王利萍. 基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究. 物理学报, 2013, 62(1): 014207. doi: 10.7498/aps.62.014207
    [2] 魏进进, 周东方, 余道杰, 胡涛, 侯德亭, 张德伟, 雷雪, 胡俊杰. 高功率微波作用下O-离子解吸附产生种子电子过程. 物理学报, 2016, 65(5): 055202. doi: 10.7498/aps.65.055202
    [3] 周前红, 孙会芳, 董志伟, 周海京. 微波大气击穿阈值的理论研究. 物理学报, 2015, 64(17): 175202. doi: 10.7498/aps.64.175202
    [4] 周前红, 董烨, 董志伟, 周海京. 介质表面附近微波大气击穿的理论研究. 物理学报, 2015, 64(8): 085201. doi: 10.7498/aps.64.085201
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    [6] 唐涛. 高功率微波土壤击穿的数值验证研究. 物理学报, 2015, 64(4): 045203. doi: 10.7498/aps.64.045203
    [7] 蔡利兵, 王建国. 介质表面高功率微波击穿中释气现象的数值模拟研究. 物理学报, 2011, 60(2): 025217. doi: 10.7498/aps.60.025217
    [8] 宋玮, 邵浩, 张治强, 黄惠军, 李佳伟, 王康懿, 景洪, 刘英君, 崔新红. 射频击穿等离子体对高功率微波传输特性的影响. 物理学报, 2014, 63(6): 064101. doi: 10.7498/aps.63.064101
    [9] 董烨, 周前红, 杨温渊, 董志伟, 周海京. 高功率微波窗内外表面闪络击穿流体模拟研究. 物理学报, 2014, 63(18): 185206. doi: 10.7498/aps.63.185206
    [10] 左春彦, 高飞, 戴忠玲, 王友年. 高功率微波输出窗内侧击穿动力学的PIC/MCC模拟研究. 物理学报, 2018, 67(22): 225201. doi: 10.7498/aps.67.20181260
    [11] 赵朋程, 廖成, 杨丹, 钟选明, 林文斌. 基于流体模型和非平衡态电子能量分布函数的高功率微波气体击穿研究. 物理学报, 2013, 62(5): 055101. doi: 10.7498/aps.62.055101
    [12] 李正红, 孟凡宝, 常安碧, 黄 华, 马乔生. 两腔高功率微波振荡器研究. 物理学报, 2005, 54(8): 3578-3583. doi: 10.7498/aps.54.3578
    [13] 王淦平, 向飞, 谭杰, 曹绍云, 罗敏, 康强, 常安碧. 长脉冲高功率微波驱动源放电过程研究. 物理学报, 2011, 60(7): 072901. doi: 10.7498/aps.60.072901
    [14] 黄华, 吴洋, 刘振帮, 袁欢, 何琥, 李乐乐, 李正红, 金晓, 马弘舸. 锁频锁相的高功率微波器件技术研究. 物理学报, 2018, 67(8): 088402. doi: 10.7498/aps.67.20172684
    [15] 吴洋, 唐传祥, 许州, 徐勇, 金晓, 常安碧, 李正红, 黄华, 刘忠, 罗雄, 马乔生. 低功率驱动的高功率微波放大器实验研究. 物理学报, 2011, 60(4): 044102. doi: 10.7498/aps.60.044102
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    [17] 郭恒, 苏运波, 李和平, 曾实, 聂秋月, 李占贤, 李志辉. 亚大气压六相交流电弧等离子体射流特性研究:实验测量. 物理学报, 2018, 67(4): 045201. doi: 10.7498/aps.67.20172556
    [18] 郭恒, 张晓宁, 聂秋月, 李和平, 曾实, 李志辉. 亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟. 物理学报, 2018, 67(5): 055201. doi: 10.7498/aps.67.20172557
    [19] 李志鹏, 李晶, 孙静, 刘阳, 方进勇. 高功率微波作用下高电子迁移率晶体管的损伤机理. 物理学报, 2016, 65(16): 168501. doi: 10.7498/aps.65.168501
    [20] 赵小峰, 黄思训. 大气波导条件下雷达海杂波功率仿真. 物理学报, 2013, 62(9): 099204. doi: 10.7498/aps.62.099204
  • 引用本文:
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  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2013-01-28
  • 修回日期:  2013-06-26
  • 刊出日期:  2013-10-20

垂直相交高功率微波大气击穿的理论研究

  • 1. 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 11105018)、国家重点基础研究发展计划(批准号: 2013CB328904)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.

摘要: 将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解, 对垂直相交高功率微波电离大气产生等离子体的过程进行了模拟研究. 对于相干(同频)垂直相交高功率微波束, 只有当初始自由电子出现在(或到达)强场(干涉加强)处, 自由电子才会被加速并与本底气体发生碰撞电离, 在放电的开始阶段, 等离子体区域主要沿着强场区运动, 并逐渐形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域. 这个带状等离子体区域足够长以后, 由于其对电磁波的吸收和反射, 其将等离子体两侧的两束微波分割开. 随着时间的推移, 在等离子体附近的强场区, 不断出现新的等离子体带. 比较发现, 当其他条件相同时, 相干微波束产生的等离子体区域比非相干微波束大.

English Abstract

参考文献 (22)

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