等离子体电极电光开关中气体放电及开关特性研究

论文摘要

惯性约束聚变的高功率激光驱动器系统结构复杂,光学器件口径大且激光功率高。为了解决系统中光束控制和反向激光控制,需要一个口径大、开关均匀性好、开关速度快且破坏阈值大的光开关,等离子体电极普克尔盒(Plasma Electrode Pockels Cell ,PEPC)电光开关就可以满足这样的要求。普克尔盒电光开关中的气体放电是一个复杂的微观过程,某些微观量是很难直接测得,因此对其复杂的微观过程也就无法直接进行深入研究。通过建立普克尔盒电光开关的一维放电模型,可以直观获得PEPC气体放电中的各种微观量,并借此深入研究气体放电形成等离子体的微观过程和电光开关宏观参量之间的关系,有利于普克尔盒电光开关优化设计。本文根据单脉冲过程等离子电极普克尔盒电光开关工作特性及气体放电原理,对氦气及氩气一维放电模型进行了改进:计算了PEPC一维模型中气体腔的有效长度;在正离子迁移速度的计算中引入了有效电场。通过模拟采用氦气和氩气及KDP晶体和DKDP晶体的PEPC,给出了普克尔盒电光开关极间电压、电流及开关效率演化曲线,给出了放电稳定后各种粒子的浓度分布图。最后分析了氩气气压对PEPC工作特性的影响。模拟结果表明:影响气体放电的主要粒子为电子,原子型正离子及激发态原子,利用3粒子模型可以在保证计算精度的情况下减少运算时间;相同情况下PEPC中氩气放电击穿时间要快于氦气放电,但是其晶体充电时间却比氦气放电长且开关效率也不及氦气放电高;氩气气压越高,带电粒子浓度越大,电子温度越低,晶体充电电压越高。通过与实验结果对比,模拟结果与实验结果是完全一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 ICF 驱动系统简介
• 1.2 普克尔盒电光开关简介
• 1.2.1 KDP 晶体的电光效应
• 1.2.2 等离子电极普克尔盒电光开关的研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容及目的
• 第二章 气体放电基本原理
• 2.1 带电粒子在气体中的运动
• 2.1.1 带电粒子在气体中的迁移运动
• 2.1.2 带电粒子在气体中的扩散运动
• 2.2 粒子间的非弹性碰撞
• 2.2.1 第一类非弹性碰撞
• 2.2.2 第二类非弹性碰撞
• 2.3 气体放电的伏安特性
• 2.4 汤生放电理论
• 2.4.1 第一汤生电离系数α
• 2.4.2 第二汤生电离系数γ
• 2.4.3 汤生理论自持条件及罗果夫斯基理论
• 2.5 气体击穿及邢帕定律
• 2.6 等离子体基本性质
• 2.6.1 等离子体的基本特征
• 2.6.2 等离子体存在的条件
• 2.7 本章小结
• 第三章 单脉冲过程PEPC 气体放电的理论模型
• 3.1 单脉冲PEPC 结构
• 3.2 理论模型相关介绍
• 3.2.1 理论模型的选择
• 3.2.2 流体力学模型
• 3.3 单脉冲PEPC 的理论模型
• 3.3.1 粒子浓度连续性方程
• 3.3.2 电子能量方程
• 3.3.3 电场方程
• 3.3.4 电路模型及电流方程
• 3.3.5 边界条件
• 3.4 反应系数的确定
• 3.5 普克尔盒电光开关的开关效率公式
• 3.6 有效放电长度的确定
• 3.7 本章小节
• 第四章 PEPC 模型方程的数值解法
• 4.1 粒子连续性方程数值求解
• 4.1.1 带电粒子连续性方程的离散
• 4.1.2 亚稳态粒子连续性方程的离散
• 4.2 电位方程数值求解
• 4.3 有效电场求解
• 4.4 本章小节
• 第五章 PEPC 开关特性数值模拟
• 5.1 程序流程图
• 5.2 工作气体为氦气的PEPC 电光开关
• 5.2.1 有效长度计算结果
• 5.2.2 放电模型的简化
• 5.2.3 实验结果与模拟结果对比
• 5.3 工作气体为氩气的PEPC 电光开关
• 5.3.1 有效长度计算结果
• 5.3.2 电光晶体为DKDP 的普克尔盒电光开关
• 5.3.3 电光晶体为KDP 的普克尔盒电光开关
• 5.3.4 氩气气压对普克尔盒电光开关放电特性影响
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论
• 6.1 本文主要完成的工作
• 6.2 本文创新之处
• 6.3 对今后研究的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果