大口径等离子体电极电光开关的数值模拟

论文摘要

用于惯性约束聚变的高功率激光驱动器需要大口径的光开关作为隔离器,用来隔离后向反射激光以及激光器多程放大系统中的寄生振荡。利用气体放电产生的大面积高电导率透明等离子体作为普克尔盒电光晶体的电极,可以使晶体全口径电场均匀分布,利用薄晶体就可以把开关定标到大口径,被认为是高功率激光装置中光束控制和隔离的理想元件。与传统的双脉冲过程驱动等离子体电极电光开关的原理不同,单脉冲过程驱动等离子体电极普克尔盒电光开关没有独立的大电流等离子体发生装置,而只是通过高幅值的开关脉冲来完成对开关的驱动。为了研究气体放电形成等离子体的微观物理过程和电光开关宏观参量之间的关系,在理论上建立一个模拟普克尔盒气体放电特性的物理模型,对电光开关的设计和优化是非常有意义的。本文根据单脉冲过程等离子体电极普克尔盒电光开关的工作原理和氦气放电中各种粒子的运动和相互之间的反应过程,建立了模拟普克尔盒放电特性的理论模型,运用MATLAB软件进行计算机数值求解,分别模拟了两种不同口径的普克尔盒在开关脉冲作用下的放电特性,给出了普克尔盒的极间电压、电流、晶体表面积累的面电荷密度、晶体两侧的电压、开关效率的时间演化曲线;电场在放电空间的时空分布图;稳态时放电腔的电子、原子型正离子、分子型正离子、激发态原子、激发态分子的浓度分布曲线;等离子体区电子能量的分布曲线,分析了氦气放电等离子体的微观物理过程和电光开关宏观参量的关系。本文还分别计算了开关脉冲电压和工作气压对等离子体电极普克尔盒电光开关工作特性的影响,结果表明:由于等离子体鞘层电容分压的影响,开关脉冲电压的选择应大于晶体的半波电压,晶体两侧的电压随着开关脉冲电压的增加而增加,在优化的开关脉冲电压范围内,开关效率较高;气压升高,气体放电产生的等离子体电子浓度增大而电子的平均能量减小,使得等离子体鞘层电容增加,晶体上的分压变大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 惯性约束聚变驱动系统的隔离技术
• 1.2 普克尔盒电光开关的发展状况
• 1.2.1 线性电光效应
• 1.2.2 传统电极普克尔盒电光开关技术的发展和局限性
• 1.2.3 等离子体电极普克尔盒电光开关技术的发展概况
• 1.3 本文的主要研究目的和内容
• 第二章 气体放电形成等离子体的基本理论
• 2.1 等离子体及其基本性质
• 2.1.1 等离子体的定义和特征
• 2.1.2 德拜屏蔽
• 2.1.3 等离子体的电导率
• 2.2 形成等离子体的方法
• 2.3 气体放电的基本理论
• 2.3.1 气体放电的伏安特性
• 2.3.2 汤生放电理论
• 2.3.3 气体的击穿
• 2.3.4 辉光放电形成等离子体
• 2.4 本章小结
• 第三章 单脉冲过程PEPC 气体放电的理论模型
• 3.1 单脉冲过程PEPC 的结构模型
• 3.2 氦气放电过程中粒子间的运动与反应过程
• 3.3 理论模型
• 3.3.1 粒子的流体力学模型
• 3.3.2 电位方程
• 3.3.3 普克尔盒的极间电压和电流方程
• 3.3.4 边界条件
• 3.4 模型中参数的确定
• 3.4.1 粒子的迁移系数和扩散系数
• 3.4.2 电子碰撞电离系数和二次发射系数
• 3.4.3 电子能量方程中的阈值能量
• 3.4.4 普克尔盒的总电容
• 3.4.5 其它参数
• 3.5 普克尔盒电光开关的开关效率公式
• 3.6 本章小结
• 第四章 PEPC 模型的数值求解
• 4.1 粒子连续性方程的差分方法
• 4.1.1 带电粒子连续性方程的离散化处理
• 4.1.2 中性激发态粒子连续性方程的离散化处理
• 4.2 电子能量方程的差分方法
• 4.3 电位方程的差分方法
• 4.4 四阶龙格-库塔法求解极间电压
• 4.5 时间步长和空间步长的选择
• 4.6 追赶法介绍
• 4.7 本章小结
• 第五章 数值模拟的结果与分析
• 5.1 程序流程图
• 5.2 8cm×8cm 普克尔盒电光开关的模拟结果
• 5.3 28cm×28cm 普克尔盒电光开关的模拟结果
• 5.4 不同放电参数对普克尔盒开关特性的影响
• 5.4.1 开关脉冲对普克尔盒工作特性的影响
• 5.4.2 气压对普克尔盒工作特性的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 本文主要完成的工作
• 6.2 本文的创新之处
• 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