本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：
一、研究团队与发表信息
本研究由王新波（西安空间无线电技术研究所空间微波技术重点实验室）、申发中（郑州大学物理学院）、于明（南方科技大学深圳市电磁信息重点实验室）和崔万照（西安空间无线电技术研究所空间微波技术重点实验室）合作完成，发表于期刊《强激光与粒子束》（*High Power Laser and Particle Beams*）2023年第35卷，DOI编号为10.11884/hplpb202335.220324。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于高功率微波技术领域，聚焦于航天器微波部件中的微放电（multipactor）现象——一种由二次电子倍增引发的真空电子雪崩效应。微放电会导致微波部件性能恶化甚至失效，是航天器高功率微波部件的关键瓶颈问题。
研究动机：随着介质材料在航天器微波部件中的广泛应用，介质表面电荷与空间电荷对微放电演化过程的影响机制尚不明确。此前研究多采用简化模型（如单电子薄片模型），未充分考虑电子统计特性及介质表面电荷的动态积累效应。
研究目标：通过三维粒子模拟（Particle-in-Cell, PIC），量化分析空间电荷与介质表面电荷在微放电演化中的作用差异，揭示其物理机制，为介质微波部件的设计与测试提供理论依据。
三、研究流程与方法
研究分为以下核心步骤：
1. 模型构建与仿真设置
- 理论模型：采用介质加载平行板波导（图1），介质厚度1 mm（相对介电常数εr=2.1），真空间隙1 mm，上下金属板间距20 mm。
- 仿真软件：基于商业软件CST Particle Studio，网格划分为x/y方向各20个网格，z方向21个网格（介质5层、真空6层），确保电场精度。
- 边界条件：y方向设为磁壁，x方向加载波导端口激励（频率1 GHz，电压幅度38.53 V）。
2. 三种仿真情景设计
- 情况1：仅考虑外加微波场；
- 情况2：考虑外加微波场+空间电荷效应；
- 情况3：综合考虑外加微波场、空间电荷及介质表面电荷。
3. 关键参数仿真
- 电子数目动态演化：记录150 ns内宏粒子（每宏粒子含10^4电子）数量变化。
- 瞬态二次电子发射系数（Instantaneous SEY）：计算半个微波周期内出射与入射电子数比值。
- 归一化反射波电压：分析端口反射功率变化。
- 间隙电压：积分介质表面至上金属板的总电场（含微波场、空间电荷场、类直流场）。
- 电子能量分布：统计相邻半周期内电子能量随位置的非对称性。
4. 介质表面电荷动态分析
- 电荷密度分布：通过PIC模拟提取t=20/60/100/140 ns时刻介质表面电荷密度。
- 电子空间分布：可视化不同时间点电子能量与位置的关系（图9-13）。
5. 数据对比与机制解析
对比三种情景下电子数目、SEY、反射电压等参数的差异，结合电荷分布与电场叠加效应，阐明空间电荷与介质表面电荷的作用机制。
四、主要研究结果
电子数目演化（图5）
- 情况1：电子数目呈指数增长（无饱和机制）；
- 情况2：电子数目在60 ns后饱和（空间电荷抑制增长）；
- 情况3：80 ns后电子数目从饱和状态下降（介质表面电荷导致自熄灭）。
瞬态SEY差异（图6）
- 情况3中，金属板SEY下降速率快于介质，因介质表面正电荷产生的类直流电场对电子运动方向产生非对称影响（加速或减速）。
反射电压与间隙电压特性（图7-8）
- 情况3的归一化反射波电压包络呈“眼睛”形（先增后减），而间隙电压出现类直流偏置，直接证实介质表面电荷的持续积累效应。
电子能量非对称分布（图11-13）
- 情况3中，相邻半周期电子能量分布显著不对称（图12），类直流电场对电子加速/减速作用导致能量差异。
介质表面电荷积累（图10）
- 电荷密度在140 ns时达0.0028 C/m³，且分布均匀，与电场均匀性一致。
五、研究结论与价值
科学结论
- 空间电荷使微放电趋于饱和，介质表面电荷则导致饱和态无法维持，最终自熄灭；
- 介质表面电荷引发SEY下降速率差异、反射电压“眼睛”形包络、间隙电压直流偏置等独特现象。
应用价值
- 为航天器介质微波部件的微放电阈值设计提供理论支持；
- 提示微放电检测需提高响应速度（因介质部件的反射变化具有瞬态特性）。
六、研究亮点
- 方法创新：首次通过三维PIC模拟完整复现介质微放电的“饱和-熄灭”全过程，克服了单电子薄片模型的局限性。
- 机制发现：明确介质表面电荷的类直流电场是导致微放电自熄灭的核心因素。
- 现象揭示：发现电子能量非对称分布、反射电压瞬态特性等新现象，深化了对介质微放电物理过程的理解。
七、其他价值
研究采用的银二次电子发射系数模型（Vaughan模型）及低能段修正方法（公式2-6），为后续微放电模拟提供了可靠参数基准。