2016
DOI: 10.1063/1.4950840
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Modeling nitrogen plasmas produced by intense electron beams

Abstract: A new gas–chemistry model is presented to treat the breakdown of a nitrogen gas with pressures on the order of 1 Torr from intense electron beams with current densities on the order of 10 kA/cm2 and pulse durations on the order of 100 ns. For these parameter regimes, the gas transitions from a weakly ionized molecular state to a strongly ionized atomic state on the time scale of the beam pulse. The model is coupled to a 0D–circuit model using the rigid–beam approximation that can be driven by specifying the ti… Show more

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“…为了降低实验复杂性与成本, SGEMP 的实验研究往往通过直接注入高能电 子束来模拟光电子, 避免使用大型射线源, 即便如此, 相关实验的难度依然很高, 公开的实验数据也非常稀缺 [4]- [6] .因此,数值模拟已经成为研究 SGEMP 的重要手 段, 代表性成果是美国 Woods 等人 [7] 编制的二维模拟程序 ABORC.以往的研究中, 真空环境下的 SGEMP 一直是关注的重点 [8] .近五年左右,西北核技术研究所的 Wang 等人基于自研程序 UNIPIC-3D [9] [10] 对 SGEMP 进行模拟,该程序支持辛算 法以及共形网格 [11] ,可以有效处理系统电磁脉冲中的电子发射边界问题 [12] .国内 研究人员对其中存在的空间电荷限制效应 [13] [14] 、 壁面二次电子发射 [15] 等问题也进 行了广泛的研究 [16] . 然而,实际系统往往工作在气体环境或含有充气元器件,光电子与中性气 体间会通过碰撞电离产生大量的次级电子、离子对,次级电子又会从电磁场中获 得能量,继续与中性气体发生电离、激发等一系列反应,从而形成等离子体.实验 结果表明 [17] ,等离子体与电磁场的相互作用会使 SGEMP 的特性会发生显著变 化.Woods 等人 [18] 最早通过数值模拟研究了高空稀薄空气和预电离空气对 SGEMP 的影响, 结果表明, 随着气压升高, 空间电荷层被破坏, 系统表面电流增加 [19] .Chan 等人 [20] 与 Strasburg 等人 [21] 使用电导率模型描述稀薄空气等离子体.Pusateri 等人 [22] 基于 swarm 模型对高空核爆电磁脉冲中的二次电子进行建模.Angus 等人 [23] 建立 了零维反应动力学模型,研究电子束诱导稀薄空气等离子体中的主要反应.…”
Section: 引 言unclassified
“…为了降低实验复杂性与成本, SGEMP 的实验研究往往通过直接注入高能电 子束来模拟光电子, 避免使用大型射线源, 即便如此, 相关实验的难度依然很高, 公开的实验数据也非常稀缺 [4]- [6] .因此,数值模拟已经成为研究 SGEMP 的重要手 段, 代表性成果是美国 Woods 等人 [7] 编制的二维模拟程序 ABORC.以往的研究中, 真空环境下的 SGEMP 一直是关注的重点 [8] .近五年左右,西北核技术研究所的 Wang 等人基于自研程序 UNIPIC-3D [9] [10] 对 SGEMP 进行模拟,该程序支持辛算 法以及共形网格 [11] ,可以有效处理系统电磁脉冲中的电子发射边界问题 [12] .国内 研究人员对其中存在的空间电荷限制效应 [13] [14] 、 壁面二次电子发射 [15] 等问题也进 行了广泛的研究 [16] . 然而,实际系统往往工作在气体环境或含有充气元器件,光电子与中性气 体间会通过碰撞电离产生大量的次级电子、离子对,次级电子又会从电磁场中获 得能量,继续与中性气体发生电离、激发等一系列反应,从而形成等离子体.实验 结果表明 [17] ,等离子体与电磁场的相互作用会使 SGEMP 的特性会发生显著变 化.Woods 等人 [18] 最早通过数值模拟研究了高空稀薄空气和预电离空气对 SGEMP 的影响, 结果表明, 随着气压升高, 空间电荷层被破坏, 系统表面电流增加 [19] .Chan 等人 [20] 与 Strasburg 等人 [21] 使用电导率模型描述稀薄空气等离子体.Pusateri 等人 [22] 基于 swarm 模型对高空核爆电磁脉冲中的二次电子进行建模.Angus 等人 [23] 建立 了零维反应动力学模型,研究电子束诱导稀薄空气等离子体中的主要反应.…”
Section: 引 言unclassified
“…Some of these processes were considered in Ref. 13, and they will also be the subject of future papers. There are many additional processes which a ect the excited state populations but are not included in the plasma chemistry model used in this paper.…”
Section: B the Weakly Ionized Plasma Modelmentioning
confidence: 99%
“…10 The model described in this paper is an extension of previous models developed to study the interaction of an intense e-beam with nitrogen gas. [11][12][13] The e-beam is assumed to be injected parallel to the axis of a perfectly conducting cylinder of radius lled with low-pressure nitrogen in the 1 to 10 Torr range. The usefulness of an earlier RB model was demonstrated by comparing two models for electron-gas collisions: one with collision rates computed from the reduced electric eld ( ∕ ) and a second where they were determined from the mean plasma electron energy.…”
Section: Introductionmentioning
confidence: 99%
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