CN103617348B - 大气环境电子束等离子体参数获取方法 - Google Patents

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Abstract

一种大气环境电子束等离子体参数获取方法，其特点在于：采用多层网格剖分和蒙特卡罗方法处理电子束在大气中的输运和能量损失，考虑了能量损失对气体密度的影响，采用预估‑校正方法动态耦合电子束能量，采用动态扫描方法实现对高能粒子的跟踪。本发明解决了大气环境电子束等离子体参数获取中的多尺度和多物理场难题，并考虑能量损失对传输路径上气体密度的影响，实现了对大气环境电子束等离子体的准确研究。

Description

大气环境电子束等离子体参数获取方法
技术领域
本发明涉及一种电子束等离子体参数获取方法。
背景技术
中国期刊《物理学报》2006年第55卷第7期中，题为《电子束产生大尺度等离子体过程的数值模拟研究》中建立了一个四组分一维混合模型，对电子束注入大气产生大尺度等离子体的过程进行了数值模拟。该模型采用流体模型模拟电子束的传输过程，并以此计算电子束在气体中的能量损失，依据能量损失获得电子束的电离率，进而计算电子束等离子体的参数。这是一种模拟计算电子束等离子体参数的解析方法，可以快速获得等离子体参数，但其不足之处在于：流体模型采用简单的公式描述电子束的传输过程，忽略了电子束与气体原子、分子之间复杂的碰撞过程，且没有考虑由于碰撞导致的能量损失而引起的气体参数变化，因而造成计算得到的电子束传输距离和等离子体尺寸与实验值具有较大差异。
发明内容
为克服现有采用流体模型跟踪电子束的传输过程而导致获取的等离子体尺寸与实验值具有较大差异的技术缺陷，本发明提供一种大气环境电子束等离子体参数获取方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种大气环境电子束等离子体参数获取方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1】建立电子束的传输与碰撞模型；
1.1】利用蒙特卡罗方法建立电子束的传输与碰撞模型；
1.2】在步骤1.1】所建立的模型中采用多层网格剖分的方法将电子束与空气的作用区域划分为若个气体薄层，各个气体薄层的参数取决于气体压强与温度；
2】预估各个气体薄层的温度，并读取大气环境压强；
3】校准各个气体薄层的温度，具体步骤包括：
3.1】将步骤2】中预估的各气体薄层的温度及大气环境压强代入步骤1】所建立的传输与碰撞模型中，利用输入的预估温度数据初始化气体薄层的参数，利用该模型动态扫描跟踪电子束在气体薄层中的传输过程，并实时记录电子束的能量损失数据；
3.2】利用能量损失数据获取电子束作用区域的温度，并以此为校正温度数据取代前一次输入传输与碰撞模型中的温度数据，将其代入步骤1】所建立的传输与碰撞模型中，重新初始化气体薄层的参数；
利用该模型动态扫描跟踪电子束在气体薄层中的传输过程，再次记录电子束的能量损失数据；
3.3】将相邻两次的能量损失数据进行比较；
3.4】如果两者相对误差小于1％，则进行步骤4】，如果两者相差过大，则重复步骤3.2】-3.3】直至相邻两次的能量损失数据相对误差小于1％。
4】根据步骤3】所校正的能量损失数据或各个气体薄层的温度计算等离子体参数。
上述步骤1】中气体薄层的数量为1000个，且各气体薄层的参数取决于大气环境压强及电子束能量损失引起的温度变化。
上述步骤2】中各个气体薄层的温度采用一次预估温度数据。
上述步骤3】中记录各薄层中的电子能量损失，电子束传输1mm记录一次。
上述步骤3】中利用能量损失数据迭代计算校正温度数据，迭代计算次数为6-10次。
本发明相对于现有技术的优点是：
1、本发明通过采用蒙特卡罗方法，可以准确处理电子束与气体原子、分子的碰撞，大幅提高了参数获取的准确性。
2、本发明采用多层网格剖分对电子束的作用区域进行了气体薄层处理，动态耦合能量损失引起的温度变化数据，准确反映了电子束与气体作用的物理过程，实现了多物理场耦合。
3、本发明采用动态扫描方法跟踪电子束的高能电子，从而可以实时获得电子束任意输运距离处的能量损失。
4、本发明具有适应各种气体环境中电子束等离子体参数获取的特色，可为理论研究和工程研制提供有效手段。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
本发明的大气环境电子束等离子体参数获取方法包括电子束的传输与碰撞模型的建立的步骤、利用该模型动态扫描跟踪电子束在气体薄层中的传输过程，记录电子束的能量损失数据的步骤、利用能量损失数据对气体温度进行校准的步骤、根据校准后的温度或能量损失数据获取等离子参数的步骤。
一个具体实例如图1所示，包括以下步骤：
(1)采用电子束加热模型，得到预估温度场，将温度数据输入到蒙特卡罗能量损失计算模块1，电子束作用区划分为1000个气体薄层，每个气体薄层厚度为1mm，利用输入的预估温度数据初始化气体薄层的参数(密度)；
(2)蒙特卡罗模型动态扫描跟踪1000万个电子束高能电子，记录电子束在传输时的能量损失数据；
(3)利用能量损失，采用温度校正模块2获取电子束的校正温度场；
(4)将校正温度场数据输入到蒙特卡罗能量损失计算模块1中，电子束作用区划分为1000个气体薄层，每个气体薄层厚度为1mm，利用输入的校正温度数据重新初始化气体薄层的参数(密度)；
(5)再次采用蒙特卡罗模型动态扫描跟踪1000万个电子束高能电子，记录电子束在传输时的能量损失数据；
(6)判断能量损失数据相对误差是否小于1％，若是，则进入电子束等离子体参数模块3；若否，则继续进入温度校正模块2校正温度场，重新获取能量损失数据；
(7)根据能量损失数据，采用电子束等离子体参数模块3获取电子束等离子体参数。

Claims (5)

1.一种大气环境电子束等离子体参数获取方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】建立电子束的传输与碰撞模型；
1.1】利用蒙特卡罗方法建立电子束的传输与碰撞模型；
1.2】在步骤1.1】所建立的模型中采用多层网格剖分的方法将电子束与空气的作用区域划分为若个气体薄层，各个气体薄层的参数取决于气体压强与温度；
2】预估各个气体薄层的温度，并读取大气环境压强；
3】校准各个气体薄层的温度，具体步骤包括：
3.1】将步骤2】中预估的各气体薄层的温度及大气环境压强代入步骤1】
所建立的传输与碰撞模型中，利用输入的预估温度数据初始化气体薄层的参数，
利用该模型动态扫描跟踪电子束在气体薄层中的传输过程，并实时记录电子束的能量损失数据；
3.2】利用能量损失数据获取电子束作用区域的温度，并以此为校正温度数据取代前一次输入传输与碰撞模型中的温度数据，将其代入步骤1】所建立的传输与碰撞模型中，重新初始化气体薄层的参数；
利用该模型动态扫描跟踪电子束在气体薄层中的传输过程，再次记录电子束的能量损失数据；
3.3】将相邻两次的能量损失数据进行比较；
3.4】如果两者相对误差小于1％，则进行步骤4】，如果两者相差过大，则重复步骤3.2】-3.3】直至相邻两次的能量损失数据相对误差小于1％；
4】根据步骤3】所校正的能量损失数据或各个气体薄层的温度计算等离子体参数。
2.根据权利要求1所述的大气环境电子束等离子体参数获取方法，其特征在于：所述步骤1】中气体薄层的数量为1000个，且各气体薄层的参数取决于大气环境压强及电子束能量损失引起的温度变化。
3.根据权利要求1所述的大气环境电子束等离子体参数获取方法，其特征在于：所述步骤2】中各个气体薄层的温度采用一次预估温度数据。
4.根据权利要求1所述的大气环境电子束等离子体参数获取方法，其特征在于：所述步骤3】中记录各薄层中的电子能量损失，电子束传输1mm记录一次。
5.根据权利要求1所述的大气环境电子束等离子体参数获取方法，其特征在于：所述步骤3】中利用能量损失数据迭代计算校正温度数据，迭代计算次数为6-10次。
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