[发明专利]一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法

摘要

一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，它包括建立了空间微波部件低气压放电数值模型，针对低气压放电中带电粒子的运动过程和总的电子数目进行了精确的数值分析，得到空间微波部件的低气压放电阈值。本发明考虑了空间微波部件金属表面的二次电子倍增效应，能够分析真空环境下放电与高气压环境下放电之间交叉阶段的低气压环境下的放电阈值。同时考虑了微波部件内部气体空间中占主导地位的所有碰撞类型，确保了空间微波部件中低气压放电数值模拟方法的准确性。本发明可以避免通过反复的实验获得空间微波部件的低气压放电阈值，缩短设计周期，减少研制成本，非常适用于空间微波部件中低气压放电的数值分析。

主权项

1.一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，所述空间微波部件内部的粒子包括初始粒子和目标粒子，初始粒子按其带电性分为初始电子和初始离子，其特征在于步骤如下：(1)基于粒子模拟的方法建立空间微波部件中低气压放电数值模型，具体通过如下步骤：(1.1)根据第i个初始粒子在预设的时间步长Δt内，从一个初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始粒子是否与空间微波部件内表面金属边界发生碰撞，若初始粒子在Δt内运动的位移大于等于它的初始位置到金属边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(1.2)；若初始粒子在Δt内运动的位移小于它的初始位置到金属边界的距离，则没有发生碰撞，进入步骤(1.3)；(1.2)根据第i个初始粒子的初始动能和微波部件内表面金属材料的二次电子发射特性判断是否发生二次电子倍增，若发生二次电子倍增产生二次电子，则将发射出的二次电子看作新的粒子，将它们的动能和位移设为下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(2)；若没有发生二次电子倍增，则认为第i个初始粒子被金属材料吸收；(1.3)判断在空间微波部件内部气体空间中初始粒子是否与目标粒子发生碰撞，若有R₁＜P_i成立，则认为第i个初始粒子与目标粒子发生了一次碰撞，之后进入步骤(1.4)，否则认为没有发生碰撞，第i个初始粒子继续运动，回到步骤(1.1)；其中，R₁为一个随机数且R₁∈(0，1)，P_i为总碰撞几率且有P_i＝1-exp(-σ_T(ε_i)n_t(x_i)v_iΔt)，v_i为第i个初始粒子的初始速度，n_t(x_i)是第i个初始粒子位置处目标粒子的密度，σ_T(ε_i)为总碰撞截面且有σ_T(ε_i)＝σ₁(ε_i)+σ₂(ε_i)+σ₃(ε_i)+σ₄(ε_i)+σ₅(ε_i)+σ₆(ε_i)，σ₁(ε_i)、σ₂(ε_i)、...σ₆(ε_i)为第i个初始粒子和目标粒子之间可能发生的6种碰撞的碰撞截面，可查表获得；其中，σ₁为电子与中性原子之间弹性碰撞的碰撞截面，σ₂为离子与中性原子弹性碰撞的碰撞截面，σ₃为电子与中性原子激发碰撞的碰撞截面，σ₄为电子与中性原子的电离碰撞的碰撞截面，σ₅为离子与中性原子电荷交换碰撞的碰撞截面，σ₆为电子与正离子的复合碰撞的碰撞截面；(1.4)对于随机数R₂，R₂∈(0，1)，若R₂∈(0，σ₁/σ_T)，则发生的是第一种碰撞，即发生电子与中性原子之间弹性碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R₂∈(σ₁/σ_T，(σ₁+σ₂)/σ_T)，则发生的是第二种碰撞，即发生离子与中性原子弹性碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R₂∈((σ₁+σ₂)/σ_T，(σ₁+σ₂+σ₃)/σ_T)，则发生的是第三种碰撞，即发生电子与中性原子激发碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R₂∈((σ₁+σ₂+σ₃)/σ_T，(σ₁+σ₂+σ₃+σ₄)/σ_T)，则发生的是第四种碰撞，即发生电子与中性原子的电离碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R₂∈((σ₁+σ₂+σ₃+σ₄)/σ_T，(σ₁+σ₂+σ₃+σ₄+σ₅)/σ_T)，则发生的是第五种碰撞，即发生离子与中性原子电荷交换碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R₂∈((σ₁+σ₂+σ₃+σ₄+σ₅)/σ_T，1)，则发生的是第六种碰撞，即发生电子与正离子的复合碰撞，之后进入步骤(1.5)；(1.5)若发生的是第一种碰撞，则通过公式φ＝2πR₃、依次确定初始电子与目标粒子碰撞之后的散射角χ、子午面角φ和碰撞后第i个初始电子的运动速度v′，其中，R₃为(0，1)之间的均匀随机数，ε_i为第i个初始电子的初始能量，v是碰撞前第i个初始电子的初始速度，m为第i个初始电子的质量，M为目标粒子的质量；若发生的是第二种碰撞，则通过公式φ＝2πR₄、|v_i′|＝|v|cosχ依次确定初始离子与目标粒子碰撞之后的散射角χ、子午面角φ和碰撞后第i个初始离子的运动速度v_i′，其中，R₄为随机数，R₄∈(0，1)；若发生的是第三种碰撞，将它分解成先激发后弹性碰撞来处理。激发后第i个初始电子的动能ε_i′＝ε_i-ε_e，ε_e为中性原子的激发能，速度变化为以此作为弹性碰撞的初始速度，依据弹性碰撞的方法求取激发碰撞后的速度和位置；若发生的是第四种碰撞，将它分解成先电离后弹性碰撞来处理，电离后会产生一个新的电子和一个新的离子，电离后新产生的电子的初始位置与第i个初始电子相同，电离后获得的初始动能为ε_s＝10tan[arctan((ε_iR₅)/20)]，随机数R₅∈(0，1)，速度改变为作为弹性碰撞的初始速度，其中m_e为新产生的电子的质量，与第i个初始电子的质量m相同，碰撞后，新产生的电子的速度和位置由弹性碰撞的原理确定；第i个初始电子电离后的动能为ε′＝ε_i-ε₀-ε_s，ε₀为中性原子的电离能，其速度变化为将其作为弹性碰撞的初始速度，再依据弹性碰撞的原理来求取第i个初始电子碰撞后的速度和位置；对于新产生的离子的速度及方向根据麦克斯韦分布随机取得，并将其设定为新的初始离子，其初始位置与第i个初始电子位置相同；若发生的是第五种碰撞，即发生初始离子与目标粒子电荷交换碰撞后，初始离子的速度变成了原来目标粒子的速度，此速度根据麦克斯韦分布规律随机获得，碰撞后初始离子的位置不变；若发生的是第六种碰撞，即发生初始电子与目标粒子的复合碰撞后，形成一个中性粒子，其位置与目标粒子的位置相同，速度根据麦克斯韦分布规律随机获得；(2)根据预设的空间网格剖分步长将步骤(1)中建立的空间微波部件中低气压放电数值模型分解到空间网格单元，确定总的电子数目，通过如下步骤进行：(2.1)根据预设的初始状态参数运用麦克斯韦方程组求出各空间网格单元处的电场和磁场，再由洛伦兹力公式求出空间微波部件内部的每个粒子所受的洛伦兹力；(2.2)根据空间网格单元中粒子受到的洛伦兹力，得到粒子的初始速度和初始位置，进而得到粒子的初始动能；(2.3)执行步骤(1.1)至步骤(1.5)，记录每个时间步长Δt内空间微波部件所有空间网格单元中碰撞之后生成的总的电子数目；并且按时间步长Δt进行推进，重复步骤(2.1)～(2.3)直至达到预设的计算时间为止，输出每一个Δt时间段内总的电子数目，得到空间微波部件中总的电子数目随时间的变化规律；(3)改变空间微波部件的输入功率，执行步骤(2)，记录不同输入功率下，在预设的计算时间内所有空间网格单元中总的电子数目随时间的变化，若总的电子数目在超过100个射频周期内均保持平衡，则将此时的输入功率定义为空间微波部件的低气压放电阈值，当输入功率大于该阈值时，则空间微波部件发生低气压放电效应。