CN110569564B - 一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法 - Google Patents

Abstract

一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法，首先设置输入和输出端口，并进行直六面体网格剖分，在真空一侧介质表面加载正的初始面电荷，并采用静电场求解方法获得所加载初始电荷的静态电场分布，将该静态电场作为偏置，在外加射频激励信号的作用下，采用PIC算法对微放电过程进行仿真，通过判断电子数目随时间的变化来判断是否发生了微放电，对输入信号的功率进行迭代，最终获得满足指定阈值精度的微放电阈值。

Description

一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法

技术领域

本发明涉及一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法，属于微波器件微放电领域。

背景技术

介质微放电效应是影响航天器大功率微波部件性能、高可靠性的重要因素，介质的存在使得微波部件在发生微放电时，介质表面会累积电荷，产生静态电场，电子受射频场和静态电场的共同作用，使得介质微放电的数值模拟与金属显著不同，缺乏预测介质微放电的有效方法。

穿舱法兰介质窗在高功率微波和地面真空环境模拟测试系统中广泛应用，对其进行微放电阈值分析对工程设计具有重要指导意义。国际上对介质窗微放电进行了研究，对二次电子发射的角度和速度进行随机处理，给出了介质微放电的敏感曲线，但是其采用固定的静态电场，而实际的介质微放电过程中，静态电场是随着二次电子的倍增随时间变化的，这一假设与实际情况不符，因此无法对介质微放电阈值进行有效预测。

随着数值模拟技术的发展，采用PIC方法进行电磁场作用下粒子运动特性模拟可以有效的实现微放电阈值预测，但是在介质微放电的数值模拟中发现，粒子在射频电场的加速下横向高速运动，只有少数电子与介质表面碰撞，难于实现二次电子倍增，导致数值模拟的微放电阈值明显偏高，无法实现穿舱法兰介质窗微放电阈值准确预测。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法，有效解决了穿舱法兰介质窗微放电阈值预测的难题。

本发明的技术解决方案是：一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法，步骤如下：

(1)对于给定的穿舱法兰结构，设置输入激励端口和输出激励端口，并按照每波长不少于M个网格进行直六面体网格剖分；

(2)在输出激励端口一侧的介质表面加载初始面电荷密度Q，获得所加载初始电荷的静态电场分布；

(3)进行仿真过程初始设置，并导入步骤(2)计算的静态电场作为偏置，设置静态电场的放大系数A，初始射频功率P₀；

(4)按照步骤(3)中的设置，采用PIC算法对射频激励信号作用下的微放电过程进行数值模拟，模拟过程中监测空间电荷、电子数目和电子位置；达到设置的模拟时间T时，仿真结束，输出穿舱法兰中电子数目随时间的变化曲线、电子的空间分布和介质表面累积电荷分布。

优选的，所述步骤(4)中的数值模拟过程如下：

(4.1)针对初始射频功率P₀，首先判定为功率P₀时是否发生了微放电，如果发生微放电就将初始功率减半，如果未发生微放电就将初始功率翻倍，直到获得功率P’₀满足：功率为P’₀时发生放电，而功率为P’₀/2时不发生微放电；

(4.2)令Pd＝0.5*P’₀，Pu＝P’₀，采用(Pu+Pd)/2给功率P赋值；

(4.3)判定功率为P时是否发生微放电，如果未发生微放电，则令Pd＝P，(Pd+Pu)/2给P赋值；如果发生了微放电，则Pu＝P,(Pd+Pu)/2给P赋值；

(4.4)判断Pu-P的绝对值是否小于指定阈值精度Δp，若小于则执行步骤(4.5)，否则执行步骤(4.3)；

(4.5)输出功率P作为微放电阈值，输出所有Pd和Pu以及最后P功率条件下的电子数目随时间变化曲线。

优选的，通过下述方式判断是否发生微放电：

给定功率P，射频激励信号的归一化电压V＝(2*P)^0.5，采用PIC算法对射频激励信号作用下微放电过程进行仿真，获得电子数目随时间的变化曲线，记为N(t)，0≤t≤T，如果N(T)≤N(T/2)，则判定未发生微放电，如果N(T)>N(T/2)，则判定发生了微放电。

优选的，所述的射频激励信号为频率为f的正弦波信号，f取值范围要求不小于10MHz；所述的模拟时间T不小于20ns，优选取值范围20～200ns。

优选的，所述的输出激励端口为穿舱法兰结构位于真空舱内的端面，输入激励端口为穿舱法兰结构位于真空舱外端面。

优选的，所述初始面电荷密度Q为正，Q和A的乘积不小于10^-10C/m²。

优选的，所述的M不小于20，优选取值范围20～60。

优选的，步骤(3)中的仿真过程初始设置包括设定金属和介质材料的二次电子发射系数，射频激励信号的频率及形式、加载初始种子电子的总数目为N₀，总电量为Q_e库伦，并设置从仿真开始就加载初始种子电子，初始电子能量满足麦克斯韦分布，在时长T₀内均匀加载。

优选的，所述的T₀取值范围要求不大于5ns，优选取值范围1～5ns，所述的N₀取值范围要求不小于50，优选取值范围50～500。

优选的，步骤(2)中采用静电场求解方法获得所加载初始电荷的静态电场分布，静电场与射频电场基于相同的网格，并将计算的静态电场保存。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明方法提供了一种考虑介质表面累积电荷的微放电阈值预测方法，能够适用于包含介质的穿舱法兰结构，相对于已有的只考虑金属微放电的方法适用范围更广；

(2)本发明方法能够在给定任意初始射频功率和阈值预测精度的条件下自动给出微放电阈值，不依赖于设计的经验，易用性更强；

(3)本发明方法提供了基于电子数目判断微放电阈值的可行方法，使得微放电阈值的预测自动化；

(4)本发明方法提供了在介质表面加载初始电荷，并将初始电荷产生的静态电场作为微放电的偏置，从而有效构建了介质窗单边微放电的起振条件，能够有效避免阈值预测过高的情况发生，实现穿舱法兰介质窗微放电阈值的准确预测。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例中的仿真对象示意图；

图3为本发明实施例中根据初始面电荷密度计算的静态电场分布图；

图4为本发明实施例中介质的二次电子发射系数曲线；

图5为本发明实施例中电子数目随时间的变化曲线；

图6为本发明实施例中电子的空间分布；

图7为本发明实施例中介质表面累积电荷分布。

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详细的阐述。

如图1所示为本发明的流程图，由图1可知，本发明提供的一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法，主要步骤如下：

(1)对于给定的穿舱法兰的结构，分别设置输入激励端口1和输出激励端口2，按照每波长不少于M个网格进行直六面体网格剖分；M一般不小于20，优选取值范围20～60。

(2)在输出激励端口2一侧的介质表面加载正的初始面电荷密度Q，采用静电场求解方法获得所加载初始电荷的静态电场分布，并将计算的静态电场保存起来；

(3)分别设定金属和介质材料的二次电子发射系数，激励信号采用频率为f的正弦波，加载的初始种子电子的总数目为N₀，总电量为Q_e库伦，在时长T₀内均匀加载，从设置仿真开始时就加载初始种子电子，初始电子能量满足麦克斯韦分布，仿真过程中监测空间电荷、电子数目和电子位置。

(4)导入步骤(2)计算的静态电场作为偏置，静态电场的放大系数为A，设置初始功率为P₀，指定阈值精度Δp，设定仿真时间为T；

(5)针对初始功率P₀，首先判定功率为P₀时是否发生了微放电，如果发生微放电就将初始功率减半，如果未发生微放电就将初始功率翻倍，直到获得功率P’₀满足：功率为P’₀时发生放电，而功率为P’₀/2时不发生微放电；

(6)Pd＝0.5*P’₀，Pu＝P’₀，采用(Pu+Pd)/2给P赋值；

(7)判定功率为P时是否发生微放电，如果未发生微放电，则Pd＝P，(Pd+Pu)/2给P赋值；如果发生了微放电，则Pu＝P,(Pd+Pu)/2给P赋值；如果Pu-P的绝对值小于指定阈值精度Δp执行步骤(8)，否则执行步骤(7)

(8)输出P的作为微放电阈值，输出所有Pd和Pu以及最后P功率条件下的电子数目随时间变化曲线。

上述是否发生微放电通过下述方式进行确定：假设给定功率P，激励信号的电压V＝(2*P)^0.5，采用PIC算法对频率为f的正弦波作用下微放电过程进行仿真，获得电子数目随时间的变化曲线，记为N(t)，0≤t≤T，如果N(T)≤N(T/2)，则判定未发生微放电，如果N(T)>N(T/2)，则判定发生了微放电。

实施例1

该方法适用于穿舱法兰结构的介质窗微放电阈值预测，此处以金属表面镀银、包含二次电子发射系数为9，Emax＝350eV的陶瓷介质的穿舱法兰为例介绍该方法的实现过程。

图2为穿舱法兰结构示意图，在矩形波导的端面分别设置端口1和端口2，圆盘尺寸与介质相同的记为端口1，圆盘尺寸小于介质的记为端口2，按照每波长40个网格进行直六面体网格剖分

在端口2一侧的介质表面加载面电荷密度Q为1e-10C/m²，采用静态电场求解方法计算该面电荷在穿舱法兰中的静态电场分布，静态电场分布如图3所示。

设定银的二次电子发射系数为2.3，Emax＝165eV，介质的二次电子发射系数为9，Emax＝350eV，基于Vaughan模型的介质二次电子发射系数曲线如图4所示，设置激励信号为频率1.2GHz的正弦波，加载初始种子电子，加载的初始电子的总数目为227，总电量为0.5E-8C，在时长2ns内均匀加载，设置从仿真开始就加载初始种子电子，初始电子能量满足麦克斯韦分布，仿真过程中监测空间电荷、电子数目和电子位置。

导入步骤(2)计算的静态电场作为偏置，静态电场的放大系数为100，设置初始功率为2000W，指定阈值精度为100W，设定仿真时间T＝30ns，

根据P0获得的P’0为4000W时满足：功率为P’0时发生微放电，而功率为P’0/2时不发生微放电，Pd＝2000W，Pu＝4000W，执行步骤(7)，直到Pu-P的绝对值小于指定阈值精度Δp＝100W，最后输出微放电阈值为2687.5W，输出所有Pd和Pu以及最后P功率调节下的电子数目随时间变化曲线。图5分别给出了2000W、4000W、3000W、2500W、2750W、2625W、2687.5W时的电子数目随时间变化曲线。可以看出，2000W时未发生微放电，4000W时发生了微放电，3000W时发生了微放电，2500W未发生微放电、2750W发生了微放电、2625W未发生微放电、2687.5W时满足指定阈值精度，因此微放电阈值为2687.5W。图6和图7分别给出了发生微放电时电子的空间分布和介质表面累积电荷分布，从图6可以看出，微放电发生的区域主要集中在介质表面的中心附近，并呈8子型分布，这为介质微放电的诊断和抑制提供了依据。从图7可以看出，介质表面累积电荷密度达到10^-5—10^-4C/m³量级，可根据该电荷密度获得表面静态电场分布，可以为改进穿舱法兰设计提供快速微放电阈值预测所需的参数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法，其特征在于步骤如下：

(1)对于给定的穿舱法兰结构，设置输入激励端口和输出激励端口，并按照每波长不少于M个网格进行直六面体网格剖分；

(2)在输出激励端口一侧的介质表面加载初始面电荷密度Q，获得所加载初始电荷的静态电场分布；

(3)进行仿真过程初始设置，并导入步骤(2)计算的静态电场作为偏置，设置静态电场的放大系数A，初始射频功率P₀；

(4)按照步骤(3)中的设置，采用PIC算法对射频激励信号作用下的微放电过程进行数值模拟，模拟过程中监测空间电荷、电子数目和电子位置；达到设置的模拟时间T时，仿真结束，输出穿舱法兰中电子数目随时间的变化曲线、电子的空间分布和介质表面累积电荷分布；

所述步骤(4)中的数值模拟过程如下：

(4.1)针对初始射频功率P₀，首先判定功率为P₀时是否发生了微放电，如果发生微放电就将初始功率减半，如果未发生微放电就将初始功率翻倍，直到获得功率P’₀满足：功率为P’₀时发生放电，而功率为P’₀/2时不发生微放电；

(4.2)令Pd＝0.5*P’₀，Pu＝P’₀，采用(Pu+Pd)/2给功率P赋值；

(4.3)判定功率为P时是否发生微放电，如果未发生微放电，则令Pd＝P，(Pd+Pu)/2给P赋值；如果发生了微放电，则Pu＝P,(Pd+Pu)/2给P赋值；

(4.4)判断Pu-P的绝对值是否小于指定阈值精度Δp，若小于则执行步骤(4.5)，否则执行步骤(4.3)；

(4.5)输出功率P作为微放电阈值，输出所有Pd和Pu以及最后P功率条件下的电子数目随时间变化曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过下述方式判断是否发生微放电：

给定功率P，射频激励信号的归一化电压V＝(2*P)^0.5，采用PIC算法对射频激励信号作用下微放电过程进行仿真，获得电子数目随时间的变化曲线，记为N(t)，0≤t≤T，如果N(T)≤N(T/2)，则判定未发生微放电，如果N(T)>N(T/2)，则判定发生了微放电。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的射频激励信号为频率为f的正弦波信号，f取值范围要求不小于10MHz；所述的模拟时间T不小于20ns。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的模拟时间T取值范围20～200ns。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的输出激励端口为穿舱法兰结构位于真空舱内的端面，输入激励端口为穿舱法兰结构位于真空舱外端面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述初始面电荷密度Q为正，Q和A的乘积不小于10^-10C/m²。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的M不小于20。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的M取值范围20～60。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中的仿真过程初始设置包括设定金属和介质材料的二次电子发射系数，射频激励信号的频率及形式、加载初始种子电子的总数目为N₀，总电量为Q_e库伦，并设置从仿真开始就加载初始种子电子，初始电子能量满足麦克斯韦分布，在时长T₀内均匀加载。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述的T₀取值范围要求不大于5ns，所述的N₀取值范围要求不小于50。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述的T₀取值范围1～5ns，所述的N₀取值范围50～500。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中采用静电场求解方法获得所加载初始电荷的静态电场分布，静电场与射频电场基于相同的网格，并将计算的静态电场保存。