爆炸式发射二极管的粒子模拟研究

爆炸式发射二极管的粒子模拟研究 第34卷第4期 2005年8月 电子科技大学 JournalofUESTofChina Vo1.34No.4 Aug.2005 爆炸式发射二极管的粒子模拟研究 刘大刚,祝大军,刘盛纲 (电子科技大学物理电子学院成都6]0054) 【摘要】分析了爆炸式发射的物理机理,在二维Yee网格模型的基础上推导出了 爆炸式发射的发射条件及逃 离阴极表面的粒子电荷的计算公式,讨论了在程序中如何用唯相的方法来描述爆 炸式发射的二维粒子模拟实现过 程,并以向内发射同轴二极管为例从其电流电压关系及电子束运动特性方面验证 了模拟的正确性. 关键词爆炸式发射;二极管;粒子模拟;击穿 中图分类号0462.4文献标识码A StudyofParticle?—in?—CellSimulationforExplosiveEmissionDiode LIUDa-gang,ZHUDa-jun,LIUSheng—gang (SchoolofPhysicalElectronics,UESTofChinaChcngdu610054) AbstractThephysicalmechanismofexplosiveemissionwasanalyzed.Theconditionsof emissionandtheformulatocalculatethechargethatwouldbedrawnawayfromthecathodesu rface wereeducedbasedontheYeemode1.Especially,discusshowtousethewayofphenomenolog ical descriptiontorealizeparticle—in—cellsimulationintwo— dimensionalofexplosiveemission.Inward— emittingcoaxialdiodeWasusedasanexampletoValidatethecorrectionsofsimulationfromc urrent— voltagecorrelationandcharacteristicofelectronbeammovement. Keywordsexplosive--emission;diode;particle?-in--cellsimulation;breakdown 由于高速度大容量计算机的飞速发展,扩大了等离子体粒子模拟的研究和应用范围,缩短了研究模拟 的周期,从而使得等离子体粒子模拟方法在可控热核聚变, 空间物理,自由电子激光和一般等离子体问题的研究中,得 到了广泛的应用.在国外,已经研制出象MAGIC,KARAT, MAFIA等一些比较成熟的粒子模拟软件,它们在粒子研究中 起到了重要作用.而在国内,由于起步比较晚,现在还没有 一 款与国外相媲美的软件.但是从许多方面因素来考虑,研 究出我国自主知识产权的粒子模拟软件又是势在必行的.本 文以二极管为例对粒子模拟的一个重要部分——爆炸式发射 模块作一些探讨和研究. 1爆炸式发射粒子模拟的物理模型 1.1爆式发射粒子模拟的二维Yee网格模型图lcHIPIc二维模拟模型 图I所示是爆炸式发射粒子模拟所用的二维模型,其中 收稿日期:2004一l2—23 基金项目:国家863高技术计划资助项I~I(2004AA832101) 作者简介t刘大I~t](1973一).男.硕士,助教,主要从事高功率微波器件粒子模拟方面的研究. 482电子科技大学第34卷 .,,代表沿三个坐标方向电场矢量,,,:,,代表沿三个坐标方向磁场矢量.在这一模型中 依据坐标方向的不同将磁场和电场放在全网格点或半网格点上,这样就实现了每一个磁场矢量都由四个电 场矢量环绕,而每个电场矢量也都由四个磁场矢量环绕的二维Yee网格模型. 1.2爆炸式发射模拟机理 爆炸式发射模拟的基础是对材料表面等离子体形成所作的一种特殊模拟.它的机理为:几乎任何材料 的表面都呈现有一些微小的突出部,或者称作"须状物".当这些须状物暴露在一定高电压下时,其上的 导电场的增强能导致强场发射.随后这些须状物就会因焦耳加热而消散,同时材料表面将形成等离子体. 这些表面的等离子体将在周围电场影响下产生代表性的粒子"发射",而这些粒子的类型(从等离子体中提 取)将由场的正负决定. 1.3爆炸式发射模拟 在图1所示模型的基础上,爆炸式发射模拟模型很大程度上忽视了等离子体形成过程中的物理上的细 节,而依靠现象来描述它.然而,粒子发射其本身是以物理学的"Child"定律为依据的,特别地,假定常 规电场在等离子体表面等于零. 在用现象来描述等离子体形成的处理中,设是一个特定网格的半网格上的常 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 向场,E是特定的 击穿场阀值,规定只有当E>E,时击穿才能发生.如果某一网格上击穿发生,则这个网格就叫做"击穿 网格",且这个判定过程在发射物体表面的每个网格上连续不断的进行着.在每个击穿网格击穿时记录它 击穿时的时间,这样一来每个网格都有它自己的历史记录而且都被独立的处理.图2所示是一个爆炸式发 射二极管模拟结构的横向剖面图,它的阴极发射表面划分为两个网格C,和C2,,是C,半网格上的常规定向 场,是C2半网格上的常规定向场,是当前的模拟时间.按上述规则,首先判断,是否大于E,如果, 大于E那么C,网格就叫作击穿网格,且在数组里记录下:然后再按上述过程同样处理C2网格. 一 旦因击穿而触发,在一个网格里等离子体的形成假设为不可逆的.然而,这时网格并不会就立即变 得完全有效,因为物理现象上观察到的阴极表面等离子体的形成是一个渐进的过程,所以指定了等离子体 形成率因子~t-tp来描述这一个渐进过程.这样一来,网格的效力成为根据指定的形成率因子由零开始增 长的,从而使网格上等离子体的形成符合了从物理现象上观察到的阴极表面等离子体形成过程. 图2二极管纵向剖面图图3二极管阴极横向剖面图 在处理等离子体的形成过程中,由于只是用现象来描述这一过程,所以并没有用粒子实际产生一个表 面等离子体.对于那些逃离阴极表面的电荷我们用现象学的模式和高斯定理来计算它,这样在周围电场的 影响下一个击穿的网格就会"发射"带电粒子了.如果场是负的,则将会发射电子:如果场是正的,则将 发射质子(或者是阳离子).图3所示是图2中二极管阴极的横向剖面图,根据介质中的高斯公式【】: D×dA=?g(1) 第4期刘大刚等:爆炸式发射二极管的粒子模拟研究483 可推导出逃离假想的等离子体面面元d的电荷?和网格面面元的比值与半网格上的常规定向场 ,阴极表面剩余场,等离子体形成率ff~t-tb)(注意它是随而变的),表面现有电荷密度P(它表示所有种 类的流入和流出的粒子数)之间的关系为: ,|' = 厂(,_,6)(一,)一P(2) 如果所指定的不为零(最小粒子所带电荷),那么式(2)计算出的?还必须满足以下条件: dq:nt(dg)…?f(3) 【0…fdq<I, 式中dg如果大于,那么dg就转换成g,的整数倍;dq如果小于,那么dg就等于零. 2模拟结果比较 以一个同轴二极管作为实例进行了爆炸式发射模拟, 所示.它具有同轴放置,环状结构的阴极和阳极. 2.1电子束束流特性的模拟比较 所使用的向内发射同轴型二极管的示意图如图4 实验得出的向内发射同轴二极管的电子束运动特性为f】: 1)当电压未能超过阀值时,将不发射电子;2)当电压超过阀 值并且不是很大时将发射均匀运动的电子束;3)当电压升高 到一定量值后,电子束在中性等离子体中传输时,由于受到自 身产生磁场的作用,束电子将偏转一定角度从而导致束截面从 均匀过渡到非均匀;4)当束流达到一定强度,电子束到达阳图4向内发射同轴二极管示意图 极时将缩箍成一点,形成自箍缩现象;5)当电压继续升高到一定量级后,电子束运动会呈现顺电势流状态. 为了验证模拟结果与实验结果是否一致,在不同的二极管间隙电压下作了一系列模拟,如图5所示. 00.1020.30.4 =,m c二极管电压 OO9 0.06 003 0 OO.1O.2O-3 m b二极管电压 O4 00.10.2030.4 m d二极管电压 图5二极管电压电子束运动图 从图5中可得到:1)当二极管电压Vo=3.5kV小于阀值电压时,二极管没有粒子束产生;2)当vo=35kV 时二极管击穿产生均匀粒子束;3)当Vo=30MV时二电子束运动出现自箍束状态;4)当Vo=70MV时电 ?m0 OOOO g ???O OOOO g 电子科技大学第34卷 子束运动出现顺电势流状态.以上电子束随电压的升高,从无发射到均匀到白箍束最后过渡到顺电势流状 态的过程正好符合试验分析得到的向内发射同轴二极管随电压升高束流的变化特性. 2.2模拟与理论的伏安特性比较 据间隙电压的不同可将向内发射同轴二极管分为3种不同的情况来讨论【】: 1)二极管间隙电压大于阀值电压,小于500kv时,是非相对论情况.2)二极管间隙电压大于500kV 小于5MV时,是相对论情况.3)二极管间隙电压大于等于5MV时,是强相对论情况. 表1所示给出了三种情形下模拟得到的阴阳极间电流与馈入电压之间的关系.从 1中的伏安特性可看 出当电压超过阀值电压后阴阳极间电压和电流是成正比的,这正好符合二极管伏安特性. 表1馈入电压与模拟电压关系表 3结束语 在二维等离子体粒子模拟的网格结构上,建立了爆炸式发射的物理模型.从网格的角度分析了爆炸式 模拟的具体实现方法并结合2.5维粒子模拟软件CHIPIC编制了爆炸式发射模块.以向内发射同轴二极管 为例,从其电子束运动特性和伏安特性两方面验证了模拟的正确性. 参考文献 [1】邵浩,刘国治,宋志敏,等.向内发射同轴型二极管电流电压关系二维修正[J丁.强激光与粒子束,2001,13(5): 632—636 [2】王秉中.计算电磁学[M】.北京:科学出版社,2002 [3】YuriM.SibbettWOnanodeeffectsinexplosiveemissiondiodes[J].Journalofappliedphysic s,2003,94(2):5776—5 781 [4】CalameJGrayHF'ShawJL.Analysisanddesignofmicrowaveamplifiersemployingfield—emitterarrays[J].App1. Phys,1993,73(3):1485—1504 [5】BustaHH,PogemillerJE,ChanWeta1.Experimentalandtheoreticaldeterminationsofgate —to—emitterstray capacitancesoffieldemitters[J].Vac.Sci.Technol,1993,Bll(2):445—448 [6】谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波.第3版[M】.北京:高等教育出版社,1999.58.61 编辑孙晓丹