CN108920732A - 一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，不同于目前采用金属等效介质材料的方法，本发明考虑了微波部件中带电粒子碰撞介质材料，产生二次电子发射后的电荷积累效应，并对该电荷积累效应产生的静电场进行计算，耦合到粒子推进过程中，能够计算得到更准确的微放电阈值。同时，获得精确的电磁场和磁性材料的外加偏置静磁场，采用少量电子的蒙特卡罗碰撞进行轨迹追踪，并忽略空间电荷效应，实现微放电的快速计算，还能够开展包括铁氧体环行器在内的介质材料加载微波部件的微放电阈值计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，属于空间微波部件可靠性研究技术领域。
背景技术
从基本物理问题来看，介质填充微波部件中的微放电过程是电子与介质表面碰撞产生二次电子，同时在介质表层积累正电荷，二次电子出射后在微波场和表面电荷产生的静态场共同作用下倍增运动的过程。与金属部件相比，介质填充部件的分析需要额外考虑介质表面的电荷积累以及它所产生的静态场。
到目前为止，对于介质填充微波部件中微放电问题的研究工作并不多，大多数研究工作都集中在与之相类似的微波介质窗和介质填充加速结构方面。微波介质窗和介质填充加速结构中的场分布与介质填充微波部件不同，微波电场与介质表面基本上都是平行的。其相关研究主要集中在工程上如何提高击穿阈值、介质窗的内外表面放电的区别分析、部件结构优化和介质表面吸收功率比例分析等方面。
在介质材料加载微波部件的研究方面，国外研究人员采用传统动力学分析方法和单粒子轨迹追踪法分析了介质填充平行板传输线中的微放电问题，计算获得不同介质材料相应的平板传输线中的微放电敏感区域。2012年，研究人员采用蒙特卡罗方法研究了同轴双模介质谐振腔的微放电，得到其微放电阈值高于平板结构阈值的结论。由欧空局组织开发的快速分析软件在计算介质加载微波部件时，将介质材料等效为金属材料，不能准确分析微放电阈值。
总之，在介质材料加载微波部件的微放电分析研究方面，不仅公开报道的研究工作较少，而且主要局限于平行平板传输线情况。研究方法方面主要为基于传统动力学的理论分析方法和蒙特卡罗模拟。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种介质材料加载微波部件微放电阈值的快速计算方法，解决了介质加载微波部件中表面电荷积累导致微放电难以快速计算的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，步骤如下：
(1)建立加载介质材料微波部件的电磁仿真模型，获得微波部件中的外加电磁场分布和边界条件信息；
具体过程如下：
(1.1)仿真计算得到微波部件内的频域电磁场，导出频域电磁场的结果和边界条件信息，按照直六面体网格形式存储，并将频域电磁场信息转换为时域电磁场；
(1.2)依据步骤(1.1)中导出的直六面体网格各节点上的电磁场，通过插值获得微波部件内部任意点的电场和磁场；
(2)预设初始自由电子，将初始电子放到所述时域电磁场中，计算得到微波部件内部的每个电子所受的洛伦兹力，根据初始电子受到的洛伦兹力，得到初始电子的初始速度和初始位置；
(3)根据第i个初始电子在预设的时间步长Δt内，i＝1,2,3,…,m，m为预设的初始电子个数，从初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始电子是否与微波部件内表面边界发生碰撞，若初始电子在Δt内运动的位移大于或等于它的初始位置到边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(4)；若初始电子在Δt内运动的位移小于初始位置到边界的距离，则没有发生碰撞，将该初始电子当前时间步长结束时的速度和位置保存，进入步骤(8)；
(4)判断边界是否为金属材料边界，若碰撞边界为金属边界，则进入步骤(5)，若碰撞边界为介质边界，则进入步骤(6)；
(5)根据第i个初始电子的初始速度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，若没有发生二次电子倍增，则认为第i个初始电子被金属材料吸收，不计入下一个时间步长；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的速度和位置设为下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(8)；
(6)根据介质材料的二次电子发射系数δ来确定表面积累电荷量以及发射的二次电子的数量，然后进入步骤(7)；
所述根据介质材料的二次电子发射系数δ来确定表面积累电荷量以及发射的二次电子的数量，具体为：
(6.1)当δ<1时，生成0到1之间的一个随机数R1，若R1≥δ，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面沉积-q电荷；若R1<δ，发射1个二次电子，在介质表面无电荷沉积；
(6.2)当1≤δ<2，先发射1个二次电子，生成0到1之间的一个随机数R2，若R2≥f，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面无电荷沉积，其中f为δ的小数部分，f＝1,2,3,…，若R2<f，发射1个二次电子，在介质表面沉积+q电荷；
(6.3)当δ≥2时，先发射n个二次电子，n为δ的整数部分为，n＝2,3,4,…，生成0到1之间的一个随机数R3，若R3≥f，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面沉积+(n-1)q电荷；若R3<f，发射1个二次电子，在介质表面沉积+nq电荷；
(7)根据公式ET＝ERF+Ediel计算初始电子在真空中微波部件内部受到的总电场ET，其中ERF为微波部件中的外加电场，即时域电磁场，Ediel为介质表面电荷产生的准静电场，根据初始电子在微波部件内部受到的总电场更新初始电子在下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(3)；介质表面电荷产生的准静电场采用数值求解泊松方程的方式获得。
(8)判断经过当前时间步长Δt后是否达到预设的仿真计算时间，若达到仿真计算时间则进入步骤(9)，若没有达到仿真计算时间，则进入步骤(3)
(9)进行数值模拟计算，得到介质加载微波部件微放电阈值；
(9.1)执行步骤(2)至步骤(8)，记录当前时间步长Δt内微波部件所有网格单元中碰撞之后生成的总的电子数目；
(9.2)按时间步长Δt进行推进，直至达到预设的仿真计算时间为止，得到微波部件中总的电子数目随时间的变化规律；
(9.3)改变微波部件的输入功率，执行步骤(9.1)-(9.2)，记录不同输入功率下，在预设的仿真计算时间内所有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个射频周期的时间内均保持平衡，则此时的输入功率即为微放电阈值。
出射的二次电子的初速度和出射角度根据麦克斯韦分布来随机确定。
所述总的电子数目在超过100个射频周期内均保持平衡，具体是指：总的电子数目随时间的变化曲线在在超过100个射频周期的时间后斜率为0。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明方法考虑了介质材料在二次电子发射过程中的电荷积累效应，数值计算由此带来的准静电场，能够实现介质加载微波部件微放电阈值的准确计算。
(2)本发明也可以针对铁氧体环行器等磁性介质材料加载的微波部件开展微放电阈值分析。在仿真计算微波部件内的频域电磁场时，可以同时计算出永久磁铁的静磁场并导出，作为环行器内铁氧体磁化的偏置场，则这种微波部件中初始电子受到的总磁场为时域磁场与静磁场之和。
(3)利用微波部件中电磁场的周期性和成熟电磁仿真方法，精确获得微波部件内部任意点的电场和磁场，忽略空间电荷效应，除了考虑介质表面电荷引起的准静电场，不再更新时域电磁场，采用少量电子的蒙特卡罗碰撞进行轨迹追踪，并实现微放电阈值的快速计算。
附图说明
图1为本发明方法流程图
图2为X波段铁氧体环行器的结构图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明在原有金属材料微波部件微放电研究的基础上，结合成熟电磁场分析软件计算得到的精确电磁场结果，非自洽地在场中进行粒子推进，在保证精度的同时提高计算效率。通过引入介质表面二次电子发射过程，考虑介质浅表层内产生电荷积累的现象，实现介质加载微波部件微放电的数值模拟，为铁氧体环行器等介质微波部件的工程设计提供参考。
如图1所示，本发明提出的介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，步骤如下：
(1)建立加载介质材料微波部件的电磁仿真模型，获得微波部件中的外加电磁场分布和边界条件信息；具体过程如下：
(1.1)仿真计算得到微波部件内的频域电磁场，导出频域电磁场的结果和边界条件信息，按照直六面体网格形式存储，并将频域电磁场信息转换为时域电磁场；
网格节点上的瞬时电磁场表达式为：
其中，为(x,y,z)位置上y方向电场的振幅，为(x,y,z)位置上y方向磁场的振幅，和分别为(x,y,z)位置上y方向电场和磁场的初始相位。
针对铁氧体环行器等加载了磁性介质材料的微波部件，在仿真计算得到微波部件内的频域电磁场的过程中，同时可以计算出永久磁铁的静磁场，作为环行器内铁氧体磁化的偏置场。在导出频域电磁场时可以直接导出静磁场，真空中运动的电子受到的总磁场为微波磁场与静磁场之和。
(1.2)依据步骤(1.1)中导出的直六面体网格各节点上的电磁场，通过插值获得微波部件内部任意点的电场和磁场；
某电子恰好位于(jq,kq)网格单元中，jq和kq代表网格坐标值，不是实际物理坐标，其电场强度用表示。令α＝jq-j，β＝kq-k，根据四个相邻节点的电场强度，以重叠面积为权重进行插值可得：
(2)预设初始自由电子，将初始电子放到所述时域电磁场中，计算得到微波部件内部的每个电子所受的洛伦兹力，根据初始电子受到的洛伦兹力，得到初始电子的初始速度和初始位置；
(3)根据第i个初始电子在预设的时间步长Δt内，i＝1,2,3,…,m，m为预设的初始电子个数，从初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始电子是否与微波部件内表面边界发生碰撞，若初始电子在Δt内运动的位移大于或等于它的初始位置到边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(4)；若初始电子在Δt内运动的位移小于初始位置到边界的距离，则没有发生碰撞，将该初始电子当前时间步长结束时的速度和位置保存，进入步骤(8)；
(4)判断边界是否为金属材料边界，若碰撞边界为金属边界，则进入步骤(5)，若碰撞边界为介质边界，则进入步骤(6)；
(5)根据第i个初始电子的初始速度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，若没有发生二次电子倍增，则认为第i个初始电子被金属材料吸收，不计入下一个时间步长；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的速度和位置设为下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(8)；
(6)根据介质材料的二次电子发射系数δ来确定表面积累电荷量以及发射的二次电子的数量，然后进入步骤(7)；
所述根据介质材料的二次电子发射系数δ来确定表面积累电荷量以及发射的二次电子的数量，具体为：
(6.1)当δ<1时，生成0到1之间的一个随机数R1，若R1≥δ，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面沉积-q电荷；若R1<δ，发射1个二次电子，在介质表面无电荷沉积；
(6.2)当1≤δ<2，先发射1个二次电子，生成0到1之间的一个随机数R2，若R2≥f，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面无电荷沉积，其中f为δ的小数部分，f＝1,2,3,…，若R2<f，发射1个二次电子，在介质表面沉积+q电荷；
(6.3)当δ≥2时，先发射n个二次电子，n为δ的整数部分为，n＝2,3,4,…，生成0到1之间的一个随机数R3，若R3≥f，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面沉积+(n-1)q电荷；若R3<f，发射1个二次电子，在介质表面沉积+nq电荷；
(7)根据公式ET＝ERF+Ediel计算初始电子在真空中微波部件内部受到的总电场ET，其中ERF为微波部件中的外加电场，即时域电磁场，Ediel为介质表面电荷产生的准静电场，根据初始电子在微波部件内部受到的总电场更新初始电子在下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(3)；
(8)判断经过当前时间步长Δt后是否达到预设的仿真计算时间，若达到仿真计算时间则进入步骤(9)，若没有达到仿真计算时间，则进入步骤(3)
(9)进行数值模拟计算，得到介质加载微波部件微放电阈值；
(9.1)执行步骤(2)至步骤(8)，记录当前时间步长Δt内微波部件所有网格单元中碰撞之后生成的总的电子数目；
(9.2)按时间步长Δt进行推进，直至达到预设的仿真计算时间为止，得到微波部件中总的电子数目随时间的变化规律；
(9.3)改变微波部件的输入功率，执行步骤(9.1)-(9.2)，记录不同输入功率下，在预设的仿真计算时间内所有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个射频周期的时间内均保持平衡，则此时的输入功率即为微放电阈值。
本发明提出的介质加载微波部件微放电阈值快速确定方法的实施例如下：
1、X波段铁氧体环行器结构图如图2所示，工作模式为TE10，频率为9.6GHz，铁氧体材料为钐钴，饱和磁化强度为2450Gauss，铁氧体电导率为0.00199S/m。采用CST软件计算得到该微波部件中的电磁场分布和静磁场量。
2、根据微波部件结构设定空间网格剖分步长、计算时间为100ns。根据步骤1中得到的电磁场计算粒子在每个空间网格单元中受到的电场和磁场，再由洛伦兹力公式求出每个电子所受的洛伦兹力；
3、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、初始位置和初始动能；
4、该微波部件中铁氧体材料的二次电子发射特性如下：二次电子发射系数的最大值为2.7，第一能量交叉点对应的入射能量为30eV。依据电子与微波部件的碰撞关系进行判断，记录每个时间步长内环行器所有空间网格单元中碰撞之后生成的总的电子数目。并计算获得铁氧体材料表面电荷积累产生的准静电场，更新电子所在网格位置的电场。按时间步长进行循环迭代数值模拟，直至达到预设的计算时间为止，输出每一个时间段内环行器所有空间网格单元中总的电子数目。
5、改变不同输入功率P，得到相应的总的电子数目随时间的变化。当输入功率为2730W时，总的电子数目在100ns后基本保持水平，则认为在目前的条件下，X波段铁氧体环行器的微放电阈值为2730W，当输入功率大于该阈值时，此X波段铁氧体环行器发生微放电效应。与实验结果相比，相对误差为14.7％，计算耗时为36000s。实现了磁性介质材料加载微波部件微放电阈值的准确计算，并有效提高计算效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于步骤如下：
(1)建立加载介质材料微波部件的电磁仿真模型，获得微波部件中的外加电磁场分布和边界条件信息；
(2)预设初始自由电子，将初始电子放到所述时域电磁场中，计算得到微波部件内部的每个电子所受的洛伦兹力，根据初始电子受到的洛伦兹力，得到初始电子的初始速度和初始位置；
(3)根据第i个初始电子在预设的时间步长Δt内，i＝1,2,3,…,m，m为预设的初始电子个数，从初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始电子是否与微波部件内表面边界发生碰撞，若初始电子在Δt内运动的位移大于或等于它的初始位置到边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(4)；若初始电子在Δt内运动的位移小于初始位置到边界的距离，则没有发生碰撞，将该初始电子当前时间步长结束时的速度和位置保存，进入步骤(8)；
(4)判断边界是否为金属材料边界，若碰撞边界为金属边界，则进入步骤(5)，若碰撞边界为介质边界，则进入步骤(6)；
(5)根据第i个初始电子的初始速度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，若没有发生二次电子倍增，则认为第i个初始电子被金属材料吸收，不计入下一个时间步长；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的速度和位置设为下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(8)；
(6)根据介质材料的二次电子发射系数δ来确定表面积累电荷量以及发射的二次电子的数量，然后进入步骤(7)；
(7)计算初始电子在真空中微波部件内部受到的总电场ET，根据初始电子在微波部件内部受到的总电场更新初始电子在下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(3)；
(8)判断经过当前时间步长Δt后是否达到预设的仿真计算时间，若达到仿真计算时间则进入步骤(9)，若没有达到仿真计算时间，则进入步骤(3)
(9)进行数值模拟计算，得到介质加载微波部件微放电阈值。
2.根据权利要求1所述的一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于：所述步骤(1)建立加载介质材料微波部件的电磁仿真模型，获得微波部件中的外加电磁场分布和边界条件信息，具体过程如下：
(1.1)仿真计算得到微波部件内的频域电磁场，导出频域电磁场的结果和边界条件信息，按照直六面体网格形式存储，并将频域电磁场信息转换为时域电磁场；
(1.2)依据步骤(1.1)中导出的直六面体网格各节点上的电磁场，通过插值获得微波部件内部任意点的电场和磁场。
3.根据权利要求1所述的一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于：所述步骤(6)根据介质材料的二次电子发射系数δ来确定表面积累电荷量以及发射的二次电子的数量，具体为：
(6.1)当δ<1时，生成0到1之间的一个随机数R1，若R1≥δ，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面沉积-q电荷；若R1<δ，发射1个二次电子，在介质表面无电荷沉积；
(6.2)当1≤δ<2，先发射1个二次电子，生成0到1之间的一个随机数R2，若R2≥f，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面无电荷沉积，其中f为δ的小数部分，f＝1,2,3,…，若R2<f，发射1个二次电子，在介质表面沉积+q电荷；
(6.3)当δ≥2时，先发射n个二次电子，n为δ的整数部分为，n＝2,3,4,…，生成0到1之间的一个随机数R3，若R3≥f，则无二次电子发射，该电子消失，不再计入下一个时间步的计算，在介质表面沉积+(n-1)q电荷；若R3<f，发射1个二次电子，在介质表面沉积+nq电荷。
4.根据权利要求1所述的一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于：所述步骤(7)计算总电场ET具体为：根据公式ET＝ERF+Ediel计算初始电子在真空中微波部件内部受到的总电场ET，其中ERF为微波部件中的外加电场，即时域电磁场，Ediel为介质表面电荷产生的准静电场。
5.根据权利要求1所述的一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于：所述步骤(9)进行数值模拟计算，得到介质加载微波部件微放电阈值，具体为：
(9.1)执行步骤(2)至步骤(8)，记录当前时间步长Δt内微波部件所有网格单元中碰撞之后生成的总的电子数目；
(9.2)按时间步长Δt进行推进，直至达到预设的仿真计算时间为止，得到微波部件中总的电子数目随时间的变化规律；
(9.3)改变微波部件的输入功率，执行步骤(9.1)-(9.2)，记录不同输入功率下，在预设的仿真计算时间内所有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个射频周期的时间内均保持平衡，则此时的输入功率即为微放电阈值。
6.根据权利要求1所述的一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于：出射的二次电子的初速度和出射角度根据麦克斯韦分布来随机确定。
7.根据权利要求1所述的一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于：所述总的电子数目在超过100个射频周期内均保持平衡，具体是指：总的电子数目随时间的变化曲线在在超过100个射频周期的时间后斜率为0。
8.根据权利要求1所述的一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，其特征在于：所述步骤(7)介质表面电荷产生的准静电场采用数值求解泊松方程的方式获得。
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