专利名称：一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，属于空间微波部件可靠性研究技术领域。
背景技术：
航天器微波部件从发射后到进入轨道工作期间，存在发生低气压放电的风险。进入轨道后，空间微波部件在大功率条件下长时间工作，部件内部积累气体，也有可能引起低气压放电。此外，随着我国载人航天与深空探测计划的步步推进，航天器在重返大气层或登陆外星体的过程中也有可能受到低气压放电的危害。而且，飞艇等大型航空设备因其工作环境也有发生低气压放电的风险。如今，航天器有效载荷中所应用的空间微波部件要求更宽的带宽，更高的元件集成度和更大的功率容量，这必然导致空间微波部件内存在更高的电场密度和更小的间隙尺寸，这也加大了低气压放电的风险。目前，国内外空间微波部件的低气压放电阈值主要通过反复实验得到，实验周期长、设计成本高昂，而针对空间微波部件低气压放电阈值的预测方法可分析部件结构单一，计算精度不高。目前国际上多采用基于经典气体击穿理论和多次试验数据拟合的半解析公式估算低气压放电阈值，该方法的局限性在于公式中的等效长度仅对于有限的结构，如平行平板、矩形波导和圆波导才有解。欧空局针对低气压环境中发生的放电过程开发了全波电磁仿真工具(FEST3D)和电晕放电电子模拟(CEST)。FEST3D采用矩量法计算微波部件内部的电磁场分布，在局部范围内假设电磁场均勻分布，通过解析方法计算低气压放电阈值，该软件适用于气压偏高时微波部件中的放电阈值计算，仅能分析类似于矩形波导的结构，适用范围较窄。CEST采用混合模拟近似法，考虑电子与电磁场的相互作用，利用微分方程求解。该软件只能分析矩形波导，对低气压放电的数值模拟还停留在探索阶段。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出了一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法。本发明的技术解决方案是一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，所述空间微波部件内部的粒子包括初始粒子和目标粒子，初始粒子按其带电性分为初始电子和初始离子，步骤如下(1)基于粒子模拟的方法建立空间微波部件中低气压放电数值模型，具体通过如下步骤(1. 1)根据第i个初始粒子在预设的时间步长At内，从一个初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始粒子是否与空间微波部件内表面金属边界发生碰撞，若初始粒子在At内运动的位移大于等于它的初始位置到金属边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(1.2)；若初始粒子在At内运动的位移小于它的初始位置到金属边界的距离，则没有发生碰撞，进入步骤(1.3)；
(1. 2)根据第i个初始粒子的初始动能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，若发生二次电子倍增产生二次电子，则将发射出的二次电子看作新的粒子，将它们的动能和位移设为下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤O)；若没有发生二次电子倍增，则认为第i个初始粒子被金属材料吸收；(1.3)判断在空间微波部件内部气体空间中初始粒子是否与目标粒子发生碰撞，若有R1 < Pi成立，则认为第i个初始粒子与目标粒子发生了一次碰撞，之后进入步骤(1. 4)，否则认为没有发生碰撞，第i个初始粒子继续运动，回到步骤(1. 1)；其中，队为一个随机数且R1 e (0,1), Pi为总碰撞几率且有Pi = Ι-exp (-στ( ε ^ni (Xi)ViAt), Vi为第i个初始粒子的初始速度，nt (Xi)是第i个初始粒子位置处目标粒子的密度，Q1(Ei)为总碰
撞截面且有 σ τ( ε i) = σ 1 ( ε i) + σ 2 ( ε i) + σ 3 ( ε i) + σ 4 ( ε i) + σ 5 ( ε i) + σ 6 ( ε i) ‘ σ 1 ( ε i) >
O 2( ε i)、. . . σ 6( ε i)为第i个初始粒子和目标粒子之间可能发生的6种碰撞的碰撞截面，可查表获得；其中，O1为电子与中性原子之间弹性碰撞的碰撞截面，O2离子与中性原子弹性碰撞的碰撞截面，σ3为电子与中性原子激发碰撞的碰撞截面，04为电子与中性原子的电离碰撞的碰撞截面，σ5为离子与中性原子电荷交换碰撞的碰撞截面，06为电子与正离子的复合碰撞的碰撞截面；(1. 4)对于随机数 R2, R2 e (0,1)，若R2 e (O, O1/Ot)，则发生的是第一种碰撞，即发生电子与中性原子之间弹性碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R2G (σι/στ,(σ1+σ2)/στ),则发生的是第二种碰撞，即发生离子与中性原子弹性碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R2 e ((0i+02)/0t，(0i+02+03)/0t)，则发生的是第三种碰撞，即发生电子与中性原子激发碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R2 e ((σ1+σ2+σ3)/στ, ( σ ^ σ 2+ο 3+ο 4) / ο τ)，则发生的是第四种碰撞，即发生电子与中性原子的电离碰撞，之后进入步骤(1.5)；R2 e ((σ j+σ 2+σ 3+σ 4)/σ τ, ( σ ^ σ 2+σ 3+σ 4+σ 5) / σ τ)，则发生的是第五种碰撞，即发生离子与中性原子电荷交换碰撞，之后进入步骤(1.5)；若R2 e (( O ^O2+O3+O4+O5)/στ，1)，则发生的是第六种碰撞，即发生电子与正离子的复合碰撞，之后进入步骤(1.5)；(1.5)若发生的是第一种碰撞，则通过公式
权利要求
1. 一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，所述空间微波部件内部的粒子包括初始粒子和目标粒子，初始粒子按其带电性分为初始电子和初始离子，其特征在于步骤如下(1)基于粒子模拟的方法建立空间微波部件中低气压放电数值模型，具体通过如下步骤(1. 1)根据第i个初始粒子在预设的时间步长At内，从一个初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始粒子是否与空间微波部件内表面金属边界发生碰撞，若初始粒子在At内运动的位移大于等于它的初始位置到金属边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(1.2)；若初始粒子在At内运动的位移小于它的初始位置到金属边界的距离，则没有发生碰撞，进入步骤(1.3)；(1. 2)根据第i个初始粒子的初始动能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，若发生二次电子倍增产生二次电子，则将发射出的二次电子看作新的粒子，将它们的动能和位移设为下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(2)；若没有发生二次电子倍增，则认为第i个初始粒子被金属材料吸收；(1.3)判断在空间微波部件内部气体空间中初始粒子是否与目标粒子发生碰撞，若有R1 < Pi成立，则认为第i个初始粒子与目标粒子发生了一次碰撞，之后进入步骤(1. 4)，否则认为没有发生碰撞，第i个初始粒子继续运动，回到步骤(1. 1)；其中，队为一个随机数且队e (0，1)，Pi为总碰撞几率且有Pi = 1-exp (-O1(Ei) nt(Xi) Vi At), Vi为第i个初始粒子的初始速度，Ht(Xi)是第i个初始粒子位置处目标粒子的密度，σ τ( ε》为总碰撞截面且有 σ χ( ε i) = σ j ( ε j) + σ 2 ( ε j) + σ 3 ( ε j) + σ 4 ( ε j) + σ 5 ( ε j) + σ 6 ( ε j) , σ ^ ( ε ^、σ 2( ε D、. . . σ 6( ε D为第i个初始粒子和目标粒子之间可能发生的6种碰撞的碰撞截面，可查表获得；其中，O1为电子与中性原子之间弹性碰撞的碰撞截面，σ2为离子与中性原子弹性碰撞的碰撞截面，σ3为电子与中性原子激发碰撞的碰撞截面，σ4为电子与中性原子的电离碰撞的碰撞截面，σ5为离子与中性原子电荷交换碰撞的碰撞截面，σ6为电子与正离子的复合碰撞的碰撞截面；(1.4)对于随机数e(0,1),(O, Q1/οτ)，则发生的是第一种碰撞，即发生电子与中性原子之间弹性碰撞，之后进入步骤(1. 5)；^R2G (σι/στ,(σ1+σ2)/στ),则发生的是第二种碰撞，即发生离子与中性原子弹性碰撞，之后进入步骤(1.5)；^R2 e ((σ1+σ2)/στ, ( σ ^ ο 2+ο 3) / ο τ)，则发生的是第三种碰撞，即发生电子与中性原子激发碰撞，之后进入步骤(1.5)；^R2 e ((σ1+σ2+σ3)/στ, ( σ ^ σ 2+σ 3+σ 4) / ο τ)，则发生的是第四种碰撞，即发生电子与中性原子的电离碰撞，之后进入步骤(1.5)；R2 e (( σ σ 2+ σ 3+ σ 4) / σ τ, ( σ σ 2+ σ 3+ σ 4+ σ 5) / σ τ),则发生的是第五种碰撞，即发生离子与中性原子电荷交换碰撞，之后进入步骤(1.5)；^R2 e ((σ1+σ2+σ3+σ4+σ5)/στ,1),则发生的是第六种碰撞，即发生电子与正离子的复合碰撞，之后进入步骤(1.5)；2(1.5)若发生的是第一种碰撞，则通过公式0)7=2 + ^""%"^')3、φ = 2 π R3,v' = vjl-^^'I052 Z)依次确定初始电子与目标粒子碰撞之后的散射角χ、子午面角Φ\ (m + M)和碰撞后第i个初始电子的运动速度ν'，其中，R3为(0，1)之间的均勻随机数，ε i为第i个初始电子的初始能量，ν是碰撞前第i个初始电子的初始速度，m为第i个初始电子的质量，M为目标粒子的质量；若发生的是第二种碰撞，则通过公式Cosz = ^F4、Φ = 2 π R4、I Vi ‘ I = I ν I cos x依次确定初始离子与目标粒子碰撞之后的散射角χ、子午面角Φ和碰撞后第i个初始离子的运动速度Vi'，其中，R4为随机数，R4 e (0,1)；若发生的是第三种碰撞，将它分解成先激发后弹性碰撞来处理。激发后第i个初始电子的动能ε / = ￡i-ee, ε e为中性原子的激发能，速度变化为，以此作为弹性碰撞的初始速度，依据弹性碰撞的方法求取激发碰撞后的速度和位置；若发生的是第四种碰撞，将它分解成先电离后弹性碰撞来处理，电离后会产生一个新的电子和一个新的离子，电离后新产生的电子的初始位置与第i个初始电子相同，电离后获得的初始动能为、=10tan[arctan((￡iR5)/20)]，随机数& e (0，1)，速度改变为作为弹性碰撞的初始速度，其中叫为新产生的电子的质量，与第i个初始电子的质量m相同，碰撞后，新产生的电子的速度和位置由弹性碰撞的原理确定；第i个初始电子电离后的动能为ε' = ^i-eO-eS' ^为中性原子的电离能，其速度变化为^/^/^，将其作为弹性碰撞的初始速度，再依据弹性碰撞的原理来求取第i个初始电子碰撞后的速度和位置；对于新产生的离子的速度及方向根据麦克斯韦分布随机取得，并将其设定为新的初始离子，其初始位置与第i个初始电子位置相同；若发生的是第五种碰撞，即发生初始离子与目标粒子电荷交换碰撞后，初始离子的速度变成了原来目标粒子的速度，此速度根据麦克斯韦分布规律随机获得，碰撞后初始离子的位置不变；若发生的是第六种碰撞，即发生初始电子与目标粒子的复合碰撞后，形成一个中性粒子，其位置与目标粒子的位置相同，速度根据麦克斯韦分布规律随机获得；(2)根据预设的空间网格剖分步长将步骤(1)中建立的空间微波部件中低气压放电数值模型分解到空间网格单元，确定总的电子数目，通过如下步骤进行(2. 1)根据预设的初始状态参数运用麦克斯韦方程组求出各空间网格单元处的电场和磁场，再由洛伦兹力公式求出空间微波部件内部的每个粒子所受的洛伦兹力；(2. 2)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和初始位置，进而得到粒子的初始动能；(2. 3)执行步骤(1. 1)至步骤(1.5)，记录每个时间步长At内空间微波部件所有空间网格单元中碰撞之后生成的总的电子数目；并且按时间步长At进行推进，重复步骤(2. 1) (2. 3)直至达到预设的计算时间为止，输出每一个At时间段内总的电子数目，得到空间微波部件中总的电子数目随时间的变化规律；(3)改变空间微波部件的输入功率，执行步骤O)，记录不同输入功率下，在预设的计算时间内所有空间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个射频周期内均保持平衡，则将此时的输入功率定义为空间微波部件的低气压放电阈值，当输入功率大于该阈值时，则空间微波部件发生低气压放电效应。
全文摘要
一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，它包括建立了空间微波部件低气压放电数值模型，针对低气压放电中带电粒子的运动过程和总的电子数目进行了精确的数值分析，得到空间微波部件的低气压放电阈值。本发明考虑了空间微波部件金属表面的二次电子倍增效应，能够分析真空环境下放电与高气压环境下放电之间交叉阶段的低气压环境下的放电阈值。同时考虑了微波部件内部气体空间中占主导地位的所有碰撞类型，确保了空间微波部件中低气压放电数值模拟方法的准确性。本发明可以避免通过反复的实验获得空间微波部件的低气压放电阈值，缩短设计周期，减少研制成本，非常适用于空间微波部件中低气压放电的数值分析。
文档编号G06N3/00GK102567780SQ20111046092
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者崔万照, 李韵, 王瑞 申请人:西安空间无线电技术研究所