高功率微波輸出窗真空表面閃絡(luò)研究.pdf

1、隨著高功率微波技術(shù)的發(fā)展，微波輻射系統(tǒng)所需傳輸?shù)奈⒉üβ室堰_(dá)到數(shù)GW量級(jí)，微波脈寬已達(dá)到百ns量級(jí)，這使得輸出窗真空-介質(zhì)界面的擊穿成為一個(gè)十分常見(jiàn)的現(xiàn)象。該擊穿的產(chǎn)生，不僅造成了輻射微波脈寬的縮短，而且制約了高功率微波器件朝更高功率、更長(zhǎng)脈沖、更高重復(fù)運(yùn)行頻率以及緊湊化等方向的發(fā)展。因此，開展高功率微波輸出窗真空-介質(zhì)界面擊穿行為的研究，認(rèn)識(shí)并解決其在界面上的擊穿問(wèn)題，是高功率微波實(shí)現(xiàn)有關(guān)發(fā)展目標(biāo)的必然要求，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此，

2、本文研究了輸出窗真空表面閃絡(luò)的物理過(guò)程，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同窗口材料絕緣能力的差異，探索了新材料在輸出窗上的應(yīng)用，論證了表面刻槽對(duì)輸出窗功率容量的提升作用。最后，研制了不同結(jié)構(gòu)的介電性能測(cè)試器件以用于窗口材料的微波測(cè)量。論文的主要工作和結(jié)果如下：
　　1.采用直接模擬蒙特卡羅和PIC-MCC粒子模擬相結(jié)合的方法建立了輸出窗真空表面閃絡(luò)的物理模型，編寫了不受時(shí)間步長(zhǎng)限制、帶有亞網(wǎng)格劃分能力的1D3V電磁模型的PIC-MCC粒子模擬程序，實(shí)

3、現(xiàn)了帶有氣體解吸附過(guò)程輸出窗真空表面閃絡(luò)的粒子模擬，得到了輸出窗從次級(jí)電子倍增到最后等離子體擊穿的過(guò)渡過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)微波自磁場(chǎng)可以在不存在表面直流場(chǎng)的情況下將電子拉回介質(zhì)表面，起到促進(jìn)閃絡(luò)的作用。最終擊穿階段電子在介質(zhì)表面的沉積功率可達(dá)入射微波功率的50％左右。在此基礎(chǔ)上，探討了靜電絕緣和磁場(chǎng)絕緣在輸出窗上的應(yīng)用，得出了垂直指向介質(zhì)表面的外加電場(chǎng)可以抑制閃絡(luò)的發(fā)展，而平行于介質(zhì)表面同時(shí)垂直于微波電場(chǎng)的外加磁場(chǎng)當(dāng)滿足電子回旋頻率與微波角頻

4、率相近時(shí)同樣可以有效地抑制閃絡(luò)的發(fā)展。
　　2.為尋求抑制輸出窗真空表面閃絡(luò)的方法，同時(shí)也為進(jìn)一步分析輸出窗真空表面閃絡(luò)的物理過(guò)程，在百ns高壓脈沖和百ns高功率微波下分別就窗口材料的絕緣特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)比了不同材料絕緣能力的差異，分析了表面刻槽對(duì)材料絕緣強(qiáng)度的提升能力，并探討了聚碳酸酯(PC)和聚醚酰亞胺(PEI)在高功率微波輸出窗上的應(yīng)用。
　　百ns高壓脈沖下的實(shí)驗(yàn)研究表明：無(wú)論是在平板還是刻槽結(jié)構(gòu)，PC的絕緣強(qiáng)

5、度高于聚四氟乙烯(PTFE)和高密度聚乙烯(HDPE)?？滩劢Y(jié)構(gòu)有效地提升了介質(zhì)樣品的表面閃絡(luò)時(shí)延，其中在二極管電壓260 kV，陰陽(yáng)極間距100 mm時(shí)，寬2 mm、深2 mm、周期4 mm的刻槽結(jié)構(gòu)使PTFE在指狀電極下的閃絡(luò)時(shí)延從45±3 ns增加到了78±3 ns，HDPE的閃絡(luò)時(shí)延從67±9 ns增加到了98±9 ns，PC的閃絡(luò)時(shí)延從93±5 ns增加到了177±9 ns。實(shí)驗(yàn)同時(shí)利用超高速相機(jī)HSFC-Pro獲得了平板和刻

6、槽結(jié)構(gòu)圓盤形介質(zhì)樣品表面閃絡(luò)發(fā)展過(guò)程的光學(xué)圖像，發(fā)現(xiàn)平板介質(zhì)樣品的表面閃絡(luò)幾乎是沿兩電極中心連線發(fā)展，而刻槽結(jié)構(gòu)介質(zhì)樣品的表面閃絡(luò)幾乎是沿樣品圓周發(fā)展，這致使后者的爬電距離大概是前者的π/2倍。
　　百ns高功率微波下的實(shí)驗(yàn)研究表明：平板結(jié)構(gòu)下，PEI輸出窗絕緣強(qiáng)度最高，PC次之，HDPE再次之；刻槽結(jié)構(gòu)下，PEI和PC輸出窗絕緣強(qiáng)度基本相當(dāng)，HDPE次之?？滩圯敵龃暗慕^緣能力明顯強(qiáng)于平板情況，其中在喇叭口面電場(chǎng)63 kV/cm、

7、微波頻率3.73 GHz時(shí)，寬1.5 mm、深1 mm、周期2.5 mm的刻槽結(jié)構(gòu)使HDPE輸出窗對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)微波脈寬從62±4 ns增加到了85±5 ns，PC輸出窗對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)微波脈寬從72±4 ns增加到了105±5 ns，PEI輸出窗對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)微波脈寬從78±5 ns增加到了105±8 ns。實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)比了表面粗糙度對(duì)輸出窗絕緣強(qiáng)度的影響，證明了一定的表面粗糙度有利于提升輸出窗的絕緣性能。HDPE、PC和PEI在平板結(jié)構(gòu)下，表面閃絡(luò)

8、痕跡不明顯，但在刻槽結(jié)構(gòu)下，PC和PEI電樹枝明顯，尤其是PEI，它在刻槽結(jié)構(gòu)下，碳化嚴(yán)重，使用壽命將受限制。
　　3.為滿足不同特性窗口材料介電性能的測(cè)量需求，先后研制了TE011和TM011雙模介質(zhì)諧振器、改進(jìn)型TE01n圓柱諧振腔以及基于分裂腔結(jié)構(gòu)的雙波段測(cè)試系統(tǒng)。利用這三種器件對(duì)PTFE、HDPE、PC、PEI、兩種氧化鋁陶瓷和一種玻璃鋼天線罩進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果表明：所提出的雙模介質(zhì)諧振器可用于低損耗、低介電常數(shù)、可加工窗

9、口材料在X波段的測(cè)量；改進(jìn)型TE01n圓柱諧振腔可用于陶瓷等平板類(厚度>5 mm)、不可加工窗口材料在C以及更高波段的無(wú)損測(cè)量；基于分裂腔結(jié)構(gòu)的雙波段測(cè)量系統(tǒng)可用于薄板型(厚度<5 mm)、低損耗、低介電常數(shù)介質(zhì)材料在低波段(例如L和S波段)的測(cè)量。以上三種器件對(duì)相對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量誤差不超過(guò)2%。雙模介質(zhì)諧振器和改進(jìn)型TE01n圓柱諧振腔對(duì)損耗角正切的測(cè)量誤差不超過(guò)10%，雙波段測(cè)量系統(tǒng)在分裂式介質(zhì)諧振器結(jié)構(gòu)下介電損耗的測(cè)量誤差有時(shí)會(huì)