专利名称：可提高介质窗高功率微波击穿阈值的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可提高介质窗高功率微波击穿阈值的方法和装置。
背景技术：
高功率微波(HPM) —般是指频率在300MHz到300GHz，脉冲功率超过100MW或平均 功率在IMW的电磁辐射。HPM系统是该相干电磁辐射产生、传输以及发射系统。一般的HPM 系统的微波源和传输系统均工作在真空状态下。HPM系统传输和发射系统通常需要介质窗来实现真空密封。随着HPM源产生功率 的提高，HPM介质窗的真空侧击穿，限制了 HPM系统能够传输和辐射的最大功率，已经成为 GW级HPM发展的瓶颈和亟待解决的严峻问题之一。介质表面真空侧击穿的主要原因是电子 在微波电场提供的加速力和表面累积正电荷场提供回复力的作用下，在介质表面发生二次 电子倍增，并诱导表面气体释放，在气体层中形成等离子体电离雪崩最终导致击穿。因此， 通过抑制二次电子倍增能够有效提高击穿阈值。常规的提高HPM介质窗击穿阈值的一种方法是采用具有高击穿阈值的高纯材料， 例如金刚石、蓝宝石、高纯陶瓷等等，然而GW级高功率微波窗口直径通常在40cm以上，选 用以上几种材料的成本极其昂贵；另一种方法是采用表面镀上具有低二次电子发射系数的 薄膜材料，以抑制二次电子发射。例如，日本KEK的学者Mito等在S波段ys脉宽HPM速 调管的陶瓷介质窗上，溅射1到2nm厚的具有低二次电子产额的TiN薄膜，减弱二次电子发 射；同时TiN镀层提高了介质表面的弱导电性，便于抑制介质表面电荷积累，一定程度上实 现了抑制倍增和提高击穿阈值。然而镀层可能随着时间增长而效果大大降低，主要的原因 是表面TiN镀层会随着时间的增加而逐渐氧化成TixNyOz，其中氧原子的含量随时间不断升 高，导致二次电子发射系数逐渐升高，抑制倍增的能量大大降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供可提高介质窗高功率微波击穿阈值的方法和装 置，以解决现有技术中高功率微波输出介质窗真空侧击穿的问题。本发明的技术方案为1、一种可提高介质窗高功率微波击穿阈值的方法，其特征在于在介质窗真空侧 施加一个平行于介质窗表面且垂直于高功率微波的电场分量方向的外谐振磁场，谐振磁场 满足以下条件Ω = (0.5 幻《，且使得电子谐振加速获得的碰撞能量高于二次产额曲线 的第二交叉点；其中Ω为回旋频率，ω为微波角频率。2、一种可提高介质窗高功率微波击穿阈值的装置，其特征在于包括两个矩形H 面弯波导、与两个矩形H面弯波导连接的传输TE11模的圆柱盒形介质窗、一个螺线管线圈； 所述螺线管线圈产生的轴向磁场方向与介质窗的表面平行，且与传输的TE11模垂直。3、一种可提高介质窗高功率微波击穿阈值的装置，其特征在于包括用于传播线 极化电场的带介质窗的辐射天线、一对异极性永磁铁或电磁铁的磁路；所述磁场方向与介质窗的表面平行，且与传输的线极化电场垂直。本发明的技术效果为1、施加外谐振磁场能够有效地抑制二次电子倍增，显著提高介质面击穿阈值。该谐振磁场的方向平行于介质窗表面且垂直于高功率微波的电场分量方向，幅度 满足条件Ω = (0.5 2) ω。电子在该磁场和微波电场共同作用下，谐振加速获得的碰撞 能量、高于二次电子发射产额曲线的第二交叉点ε 2，因此二次产额δ小于1。同时该电 子的飞行时间接近一个微波周期，当电子碰撞介质面时，电场相位和初始发射相位基本相 同，因此新产生的二次电子会被迅速拉离表面，再经过一个微波周期的谐振加速飞行后碰 撞表面，因此倍增被迅速抑制。2、随着场强提高，电子能量、会进一步提高，δ会进一步降低，因此有潜力大幅 度地提高场强阈值。3、该磁场可以在镀有TiN薄膜的介质窗上使用，抑制效果会更佳。这是因为镀有 TiN的介质窗的二次产额低，产额曲线的第二交叉点ε2低。谐振加速的电子能量、更容易尚于 ￡ 2°4、并没有限定Ε,f电场的方向，即Erf可以平行于介质窗表面也可以斜入射，都会有 好的抑制效果。5、只通过施加外谐振磁场，而没有改变介质本身材料，因此抑制击穿的效果不会 随时间增加而衰减。
图1为典型的二次电子发射产额δ随电子碰撞能量、变化曲线。图2为电子在正交微波电场Erf和外谐振磁场B作用下在介质表面倍增的轨迹示 意图。其中Sjnsy为电子沿χ和y方向的位移，啦/(πιω2)为无谐振磁场时的位移。图3为PIC模拟得到的电子束的轨迹。在Ω/ω = 1，= 40kV/cm得到。图4为谐振加速电子的解析碰撞能量、(τ)随Ω/ω的变化。其中Atl2/(2m ω2) 为无谐振磁场时的能量。θ为电场发射相位。图5为ε τ )对应的解析产额δ随Ω/ω的变化。图6为PIC模拟得到的电子数密度nj逭时间t变化，在Ω/ω = 0.7, = 40kV/ cm得到。图7为盒形介质窗与连接的H面矩形弯波导在螺线管内配合关系。1为盒形介质 窗；2为H面矩形弯波导；3为螺线管线圈；4箭头方向为磁力线方向。图8为线极化场的圆口面天线和一对异极性磁铁磁路的配合关系。1为介质窗；2 为其中的一个磁铁；3箭头方向为磁力线方向；4为磁路。
具体实施例方式通过动力学来分析抑制倍增的原理，首先需要解释二次电子发射产额曲线，如图1 所示，该曲线有两个交叉点、和ε2，当电子碰撞能量在￡工和￡2之间时，二次产额大于 1，通过谐振加速使得电子碰撞能量ε 2，就可以实现倍增抑制。电子在微波电场Erf和磁感应强度为B的外磁场的共同作用下倍增轨迹如图2所示。磁场平行于介质面并垂直于Ε-满足回旋频率Ω接近微波频率ω，其中Ω = eB/m,e 为电子电荷量，m为电子质量。对于ω = 2. 85 π GHz，B 0. 1T。当ErfXB矢量的方向 远离介质面，倍增电子在该作用力下离开介质面，Particle-in-celKPIC)模拟得到的电子 束轨迹如图3所示，电子从电磁场中谐振加速，相比无谐振磁场的位移eE/(πιω2)增大了数 倍。从图4可以看出，电子谐振获得的碰撞能量ε 6相比无谐振磁场的能量^Eci2Aaiico2)最 大可提高近 10 倍。对于 ω = 2. 85*2 π GHz 和 = 40kV/cm，有 eS^/Qmco2) 4. 4keV, 因此￡e 44keV，并高于第二交叉点e2 6keV，使得二次产额δ < 1。因为δ与电子 的入射角度有关，δ的具体数值可从图5看到，在Ω ω，δ最小可达0.4。同时从图6看出，电子数密度每经过时间t 微波周期T后像台阶一样迅速降 低，这是因为电子的飞行渡越时间τ Τ，在该时间范围内电子数密度不变，谐振飞行之后 电子碰撞介质面，产额小于1，因此数密度ηε迅速降低。由于ErfXB以T为周期，因此电子 在空间飞行先后经历了两次ErfXB变向，当返回并碰撞介质表面时，ErfXB方向与电子发 射初始时相同，即都是远离介质面的，因此新产生的二次电子被迅速拉离介质面，再次经过 τ T飞行后以、> ε 2碰撞表面。所以倍增被迅速抑制，数密度像台阶一样不断下降。 并且从图5可以看出，随着场强从40kV/cm提高到50kV/cm，电子能量ε 6会进一步提高，δ 会进一步降低，倍增抑制效果会增强。可提高介质窗高功率微波击穿阈值的一种装置如图7，传输TE11模式的圆柱盒形 介质窗与连接的H面矩形弯波导在螺线管内配合，TE11模式的极化方向垂直纸面，螺线管产 生磁场B= μ 平行于介质窗表面并垂直于TE11模式。其中η为螺线管线圈密度，I为电 流。另一种装置如图8，天线辐射线极化的电场，沿竖直方向，天线介质面放置于磁路的气隙 内，磁力线水平方向，实现与电场极化方向垂直并平行于介质表面。磁路作用在于约束磁力 线使得气隙磁场较均勻。磁路的实现形式可以有多种，图8只是其中一种形式。
权利要求
1.一种可提高介质窗高功率微波击穿阈值的方法，其特征在于在介质窗真空侧施加 一个平行于介质窗表面且垂直于高功率微波的电场分量方向的外谐振磁场，谐振磁场满足 以下条件Ω = (0.5 幻《，且使得电子谐振加速获得的碰撞能量高于二次产额曲线的第 二交叉点；其中Ω为回旋频率，ω为微波角频率。
2.一种可提高介质窗高功率微波击穿阈值的装置，其特征在于包括两个矩形H面弯 波导、与两个矩形H面弯波导连接的传输TE11模的圆柱盒形介质窗、一个螺线管线圈；所述 螺线管线圈产生的轴向磁场方向与介质窗的表面平行，且与传输的TE11模垂直。
3.一种可提高介质窗高功率微波击穿阈值的装置，其特征在于包括用于传播线极化 电场的带介质窗的辐射天线、一对异极性永磁铁或电磁铁的磁路；所述磁场方向与介质窗 的表面平行，且与传输的线极化电场垂直。
全文摘要
本发明涉及可提高介质窗高功率微波击穿阈值的方法及装置。在介质窗真空侧施加一个平行于介质窗表面且垂直于高功率微波的电场分量方向的外谐振磁场，谐振磁场满足以下条件Ω＝(0.5～2)ω，且使得电子谐振加速获得的碰撞能量高于二次产额曲线的第二交叉点。装置包括两个矩形H面弯波导、与两个矩形H面弯波导连接的传输TE11模的圆柱盒形介质窗、一个螺线管线圈；螺线管线圈产生的轴向磁场方向与介质窗的表面平行，且与传输的TE11模垂直。具有提高介质面击穿阈值的优点。
文档编号H01P1/08GK102044728SQ20101010629
公开日2011年5月4日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者常超, 方进勇, 邵浩, 陈昌华, 黄惠军 申请人:西北核技术研究所