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第 25卷第 10期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1．25，NO．10 2013年 1O月 HIGH POW ER LASER AND PARTICLE BEAMS Oct．，2013 文章编号 ： lOOl一4322(2013)10—2653—06 两种外磁场形式对介质面次级电子倍增的抑制 董 烨， 董志伟， 周前红， 杨温渊， 周海京 (北京应用物理与计算数学研究所 ，北京 100094) 摘 要 ： 利用 自编 1D3VPIC程序 ，数值研究了不 同外加磁场方式对次级 电子倍增抑制的物理过程 ，给 出了次级电子数 目、平均能量 、密度 、运动轨迹 、渡越时间、介质表面静 电场及沉积功率等物理量时空分布关系。 模拟结果表 明：不同方向外加磁场抑制次级 电子倍增的机理有所不 同。轴 向外加磁场利用 电子 回旋运动干扰 微波电场对 电子加速过程 ，使其碰壁能量 降低 以达到抑制二次电子倍增的效果 ；横 向外加磁场利用电子回旋漂 移过程 中，电子半个周期被推离介质表面 (不发生次级 电子倍增)，半个周期被推 回介质表面(降低 电子碰撞能 量)的作用机理，达到抑制二次 电子倍增 的效果 。讨论了横 向磁场在 回旋共振下，电子 回旋 同步加速导致 回旋 半径增大，电子能量持续增加的特殊过程 。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级 电子 倍增 的 目的。轴 向外加磁场加载容易，但对磁场要求较高；横 向外加磁场需要磁场较低 ，但加载较为困难 。 关键词 ： 高功率微波 ； 介质表面 ； 次级 电子倍增 ； 粒子模拟 ； 外加磁场 ； 抑制 中图分类号 ： 0462．2 文献标 志码 ： A doi：lO．3788／HPLPB2O1325lO．2653 随着高功率微波器件输出功率的提高 ，脉宽的增加 ，输出窗的放电击穿 已成为高功率微波产生与传输的重 要限制因素。次级电子倍增作为诱发击穿 的种子源 ，受到 了人们的普遍重视 口]。美国德州理工大学 Neuber 和 Dickens致力于实验研究 ；密西根大学 Kishek和 Lau小组侧重研究敏感 区间蒙特卡罗预估方法l3；加州 大学 Kim 及 Verboncoeur小组开展 了粒子模拟工作 ]。国内，清华大学、西安交通大学 、电子科技大学 、国防 科学技术大学 、西北核技术研究所等单位也在积极开展该方面的研究工作。目前 ，研究重点侧重次级电子倍增 效应的抑制手段。刻槽技术被认为是比较有效的抑制手段之一 ，Neuber等人在大气环境下进行刻槽抑制次级 电子倍增实验 ，发现刻槽后介质表面击穿场强阈值得到显著提高 ，传输功率容量增大 1倍 ；清华大学和西安 交通大学也对介质表面刻槽提高微波击穿阈值进行实验研究，发现刻槽可 以有效阻碍电子运动轨迹达到抑制 次级 电子倍增 的目的 ]；我们前期也做了一些刻槽抑制次级电子倍增的初步模拟工作_7]。外加磁场也被认为 是一种抑制次级电子倍增的潜在手段，常超等人从动力学角度研究了回旋共振对次级电子倍增的抑制作用 ， 蔡利兵等人对横向外加磁场抑制次级电子倍增进行了粒子模拟研究，并提 出介质窗的微波传输功率容量可 以 提高 4倍以上”。]。本文利用粒子模拟方法 ，侧重对 比研究轴 向与横向两种不 同形式 的外加磁场对次级电子倍 增抑制的相关物理过程 ，给出其作用机理 ，为相关实验研究提供理论依据及参考。 1 理论模型 我们采用 自编的 1D3VPIC程序 (空 间上采用 1维PIC算法，对粒子速度在 3个方向跟踪)，讨论两种外加 磁场形式对介质表面次级电子倍增的抑制效应，探究其物理形成机制。高功率微波介质表面次级 电子倍增模 型如图 l所示 ，作用机理为 ：场致发射 电子 由介质表面出射 ，从微波场 中加速获得能量后撞击介质表面产生次 级 电子倍增效应 (即次级电子数 目大于入射电子数 目的现象)，渡越时间由介质表面束缚电荷场 (电子发射导致 正 电荷沉积形成)决定。模型中，我们假定 ：高功率微波沿一 方 向以平面波形式传输 ，电场沿 ．Z7方 向，磁场沿 Y方向。图 1(a)轴 向(方 向)外加磁场，图 1(b)横向(．y方向)外加磁场 。 1．1 动力学方程及粒子模拟算法