[發明專利]一種空間微波部件低氣壓放電數值模擬方法

有效

• 申請號: 201110460925.0
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN102567780A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 王瑞;崔萬照;李韻
• 申請（專利權）人: 西安空間無線電技術研究所
• 主分類號: G06N3/00
• 分類號: G06N3/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

1.一種空間微波部件低氣壓放電數值模擬方法，所述空間微波部件內部的粒子包括初始粒子和目標粒子，初始粒子按其帶電性分為初始電子和初始離子，其特征在于步驟如下：

(1)基于粒子模擬的方法建立空間微波部件中低氣壓放電數值模型，具體通過如下步驟：

(1.1)根據第i個初始粒子在預設的時間步長Δt內，從一個初始位置運動到另一個位置的位移判斷該初始粒子是否與空間微波部件內表面金屬邊界發生碰撞，若初始粒子在Δt內運動的位移大于等于它的初始位置到金屬邊界的距離，則發生碰撞，進入步驟(1.2)；若初始粒子在Δt內運動的位移小于它的初始位置到金屬邊界的距離，則沒有發生碰撞，進入步驟(1.3)；

(1.2)根據第i個初始粒子的初始動能和微波部件內表面金屬材料的二次電子發射特性判斷是否發生二次電子倍增，若發生二次電子倍增產生二次電子，則將發射出的二次電子看作新的粒子，將它們的動能和位移設為下一個時間步長的初始狀態，之后進入步驟(2)；若沒有發生二次電子倍增，則認為第i個初始粒子被金屬材料吸收；

(1.3)判斷在空間微波部件內部氣體空間中初始粒子是否與目標粒子發生碰撞，若有R₁＜P_i成立，則認為第i個初始粒子與目標粒子發生了一次碰撞，之后進入步驟(1.4)，否則認為沒有發生碰撞，第i個初始粒子繼續運動，回到步驟(1.1)；其中，R₁為一個隨機數且R₁∈(0，1)，P_i為總碰撞幾率且有P_i＝1-exp(-σ_T(ε_i)n_t(x_i)v_iΔt)，v_i為第i個初始粒子的初始速度，n_t(x_i)是第i個初始粒子位置處目標粒子的密度，σ_T(ε_i)為總碰撞截面且有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)為第i個初始粒子和目標粒子之間可能發生的6種碰撞的碰撞截面，可查表獲得；

其中，σ₁為電子與中性原子之間彈性碰撞的碰撞截面，σ₂為離子與中性原子彈性碰撞的碰撞截面，σ₃為電子與中性原子激發碰撞的碰撞截面，σ₄為電子與中性原子的電離碰撞的碰撞截面，σ₅為離子與中性原子電荷交換碰撞的碰撞截面，σ₆為電子與正離子的復合碰撞的碰撞截面；

(1.4)對于隨機數R₂，R₂∈(0，1)，

若R₂∈(0，σ₁/σ_T)，則發生的是第一種碰撞，即發生電子與中性原子之間彈性碰撞，之后進入步驟(1.5)；

若R₂∈(σ₁/σ_T，(σ₁+σ₂)/σ_T)，則發生的是第二種碰撞，即發生離子與中性原子彈性碰撞，之后進入步驟(1.5)；

若R₂∈((σ₁+σ₂)/σ_T，(σ₁+σ₂+σ₃)/σ_T)，則發生的是第三種碰撞，即發生電子與中性原子激發碰撞，之后進入步驟(1.5)；

若R₂∈((σ₁+σ₂+σ₃)/σ_T，(σ₁+σ₂+σ₃+σ₄)/σ_T)，則發生的是第四種碰撞，即發生電子與中性原子的電離碰撞，之后進入步驟(1.5)；

若R₂∈((σ₁+σ₂+σ₃+σ₄)/σ_T，(σ₁+σ₂+σ₃+σ₄+σ₅)/σ_T)，則發生的是第五種碰撞，即發生離子與中性原子電荷交換碰撞，之后進入步驟(1.5)；

若R₂∈((σ₁+σ₂+σ₃+σ₄+σ₅)/σ_T，1)，則發生的是第六種碰撞，即發生電子與正離子的復合碰撞，之后進入步驟(1.5)；

(1.5)若發生的是第一種碰撞，則通過公式φ＝2πR₃、依次確定初始電子與目標粒子碰撞之后的散射角χ、子午面角φ和碰撞后第i個初始電子的運動速度v′，其中，R₃為(0，1)之間的均勻隨機數，ε_i為第i個初始電子的初始能量，v是碰撞前第i個初始電子的初始速度，m為第i個初始電子的質量，M為目標粒子的質量；

若發生的是第二種碰撞，則通過公式φ＝2πR₄、|v_i′|＝|v|cosχ依次確定初始離子與目標粒子碰撞之后的散射角χ、子午面角φ和碰撞后第i個初始離子的運動速度v_i′，其中，R₄為隨機數，R₄∈(0，1)；

若發生的是第三種碰撞，將它分解成先激發后彈性碰撞來處理。激發后第i個初始電子的動能ε_i′＝ε_i-ε_e，ε_e為中性原子的激發能，速度變化為以此作為彈性碰撞的初始速度，依據彈性碰撞的方法求取激發碰撞后的速度和位置；

若發生的是第四種碰撞，將它分解成先電離后彈性碰撞來處理，電離后會產生一個新的電子和一個新的離子，電離后新產生的電子的初始位置與第i個初始電子相同，電離后獲得的初始動能為ε_s＝10tan[arctan((ε_iR₅)/20)]，隨機數R₅∈(0，1)，速度改變為作為彈性碰撞的初始速度，其中m_e為新產生的電子的質量，與第i個初始電子的質量m相同，碰撞后，新產生的電子的速度和位置由彈性碰撞的原理確定；第i個初始電子電離后的動能為ε′＝ε_i-ε₀-ε_s，ε₀為中性原子的電離能，其速度變化為將其作為彈性碰撞的初始速度，再依據彈性碰撞的原理來求取第i個初始電子碰撞后的速度和位置；對于新產生的離子的速度及方向根據麥克斯韋分布隨機取得，并將其設定為新的初始離子，其初始位置與第i個初始電子位置相同；

若發生的是第五種碰撞，即發生初始離子與目標粒子電荷交換碰撞后，初始離子的速度變成了原來目標粒子的速度，此速度根據麥克斯韋分布規律隨機獲得，碰撞后初始離子的位置不變；

若發生的是第六種碰撞，即發生初始電子與目標粒子的復合碰撞后，形成一個中性粒子，其位置與目標粒子的位置相同，速度根據麥克斯韋分布規律隨機獲得；

(2)根據預設的空間網格剖分步長將步驟(1)中建立的空間微波部件中低氣壓放電數值模型分解到空間網格單元，確定總的電子數目，通過如下步驟進行：

(2.1)根據預設的初始狀態參數運用麥克斯韋方程組求出各空間網格單元處的電場和磁場，再由洛倫茲力公式求出空間微波部件內部的每個粒子所受的洛倫茲力；

(2.2)根據空間網格單元中粒子受到的洛倫茲力，得到粒子的初始速度和初始位置，進而得到粒子的初始動能；

(2.3)執行步驟(1.1)至步驟(1.5)，記錄每個時間步長Δt內空間微波部件所有空間網格單元中碰撞之后生成的總的電子數目；并且按時間步長Δt進行推進，重復步驟(2.1)～(2.3)直至達到預設的計算時間為止，輸出每一個Δt時間段內總的電子數目，得到空間微波部件中總的電子數目隨時間的變化規律；

(3)改變空間微波部件的輸入功率，執行步驟(2)，記錄不同輸入功率下，在預設的計算時間內所有空間網格單元中總的電子數目隨時間的變化，若總的電子數目在超過100個射頻周期內均保持平衡，則將此時的輸入功率定義為空間微波部件的低氣壓放電閾值，當輸入功率大于該閾值時，則空間微波部件發生低氣壓放電效應。