一种提高真空侧功率容量的高功率微波介质窗的制作方法
【专利摘要】本发明属于高功率微波(HPM)【技术领域】，本发明公开了一种提高真空侧功率容量的高功率微波介质窗，所述高功率微波介质窗的表面是由若干个曲面周期性结构单元构成的表面。本发明具有三维周期性函数表面的介质窗，周期性函数表面就像是海平面起伏的波纹一样，其抑制二次电子倍增的原理是：将电子约束在单元函数曲面结构内，通过微波电场力自身提供的回复力作用，改变倍增电子轨迹、渡越时间，减小电子在函数曲面侧壁的碰撞能量，使其小于二次产额曲线的第一交叉点。同时，电子渡越时间远小于微波半周期，实现二次电子倍增在函数曲面侧壁被抑制。
【专利说明】
一种提高真空侧功率容量的高功率微波介质窗
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高功率微波介质窗，特别涉及一种提高真空侧功率容量的高功率微波介质窗，属于高功率微波【技术领域】。
【背景技术】
[0002]高功率微波(High Power Microwave, HPM)是指峰值功率超过100MW,频率IGHz?300GHz的电磁辐射。HPM在科研、民用和国防领域具有非常广阔的应用前景。
[0003]在高功率微波产生装置中，介质窗保证微波产生所需的真空环境，隔离外部大气，是必不可缺的重要部件。随着高功率微波器件的峰值功率和脉冲宽度的提高，特别是大功率、小型化微波装置的研制，介质窗真空侧的击穿已经成为限制高功率微波传输与发射系统功率提高的主要瓶颈。如何抑制介质窗表面倍增、提高介质窗击穿阈值，是困扰该领域学者几十年的问题。
[0004]击穿主要发生在介质窗的真空侧，它由二次电子倍增触发，最终在介质表面释放气体层中出现等离子体电离雪崩放电。提高介质窗材料抗击穿性能的一种重要手段是对介质窗材料进行表面处理，提高介质窗材料表面状况。国内外研究者如日本KEK学者通过氮化钛薄膜等方法有效降低了二次产额，改善绝缘体材料的表面性能。上述方法虽然有一定的抗击穿效果，但均存在相关的缺陷，如提高微波击穿功率阈值幅度不大、可靠性不高或表面层寿命短。
[0005]常超等提出通过周期性三角形表面结构有效提高击穿阈值，并开展了系统的理论和实验证实，其典型结构如图1所示，周期性三角形表面通常有相互平行的脊，和相互平行的槽底。其倍增抑制的基本原理主要是改变电子轨迹、渡越时间和碰撞能量，降低电子碰撞能量使其小于二次产额曲线的第一交叉点、同时减小电子渡越时间τ使其远小于微波半周期Τ/2，周期性表面的有效尺寸与微波波长密切相关。
[0006]然而，周期性三角形表面的分布和微波模式密切相关，三角形表面的结构必须垂直于电场极化方向、避免切向场，因为电场沿槽分量可以倍增，刻槽平行于电场的窗功率甚至小于平面窗的容量。因为不同模式的电磁场分布不同，周期性表面的结构分布差别显著，例如:ΤΕη模式的电场在窗口面的中央区域有明确的极化方向，周期性表面的棱脊是平行线，相邻棱脊之间的距离固定。TM01模式的电场是沿着径向的，周期性表面的棱脊需要是同心环形结构，相邻同心环之间的距离固定。同心环形的周期性表面结构的形象比喻是一个石头抛向湖面，激起一个个同心环状涟漪。然而，在窗口面的边缘区域，也就是靠近金属壁区域，TE11模式的电场并非相互平行，尤其是在圆极化TE11电场作用下，电场极化方向槽的分布无法确定。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是:提供一种提高真空侧功率容量的高功率微波介质窗。
[0008]为实现上述的发明目的，本发明提供了一种提高真空侧功率容量的高功率微波介质窗，所述高功率微波介质窗的表面是由若干个曲面周期性结构单元构成的表面。
[0009]其中较优地，所述高功率微波介质窗的表面是三维周期性函数表面。
[0010]其中较优地，所述三维周期性函数表面是三维周期性正弦函数表面，所述三维周期性正弦函数的包络幅度是按下式计算的:
[0011]z = -C I sin (kxx) sin (kyy)
[0012]其中，c为三维周期正弦结构的深度，X、Y,Z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，kx表示三维周期结构口表面X轴方向的波数，kx = 2 / λ x ;ky表示三维周期结构口表面I轴方向的波数，ky = 2 / λ y，λ χ和Ay为正弦曲面口面X轴方向和Y轴方向的周期尺寸宽度。
[0013]其中较优地，所述三维周期性函数表面是三维周期性余弦函数表面，所述三维周期性余弦函数的包络幅度是按下式计算的:
【权利要求】
1.一种提高真空侧功率容量的高功率微波介质窗，其特征在于:所述高功率微波介质窗的表面是由若干个曲面周期性结构单元构成的表面。
2.如权利要求1所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述高功率微波介质窗的表面是三维周期性函数表面。
3.如权利要求2所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述三维周期性函数表面是三维周期性正弦函数表面，所述三维周期性正弦函数的包络幅度是按下式计算的:
z = -c sin (kxx) sin (kyy) 其中，C为三维周期正弦结构的深度，X、1、Z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，kx表示三维周期结构口表面X轴方向的波数，kx = 2 31 / λ x ；ky表示三维周期结构口表面y轴方向的波数，ky = 2Ji/Ay, 入丨为正弦曲面口面X轴方向和y轴方向的周期尺寸宽度。
4.如权利要求2所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述三维周期性函数表面是三维周期性余弦函数表面，所述三维周期性余弦函数的包络幅度是按下式计算的:
其中，m和η确定单元函数包络中心的位置，c为三维周期正弦结构的深度，X、y、ζ为三维周期结构口表面上 点的横坐标、纵坐标、竖坐标，λ x为旋转余弦曲面口面的特征宽度。
5.如权利要求2所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述三维周期性函数表面是周期性椭球表面，所述周期性椭球面的函数包络是按下式计算的:
其中，m和η确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，X、y、ζ为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，Xy为周期性椭球口面的特征宽度。
6.如权利要求2所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述三维周期性函数表面是周期性椭圆柱表面，所述周期性椭圆柱表面的函数包络是按下式计算的:
其中m和η确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，XyS周期性椭圆柱面的口面特征览度。
7.如权利要求2所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述三维周期性函数表面是周期性椭圆抛物表面，所述周期性椭圆抛物表面的函数包络是按下式计算的:
其中m和η确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，XyS周期性椭圆抛物面的口面特征览度。
8.如权利要求2所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述三维周期性函数表面是周期性椭圆锥表面，所述周期性椭圆锥表面的函数包络是按下式计算的:
其中m和η确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，XyS周期性椭圆锥面的口面特征览度。
9.如权利要求2所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述三维周期性函数表面是周期性双叶双曲表面，所述周期性双叶双曲表面的函数包络是按下式计算的:
其中m和η确定单元函数包络的中心位置，c为三维周期正弦结构的深度，x、y、z为三维周期结构口表面上点的横坐标、纵坐标、竖坐标，XyS周期性双曲面的口面特征宽度。
10.如权利要求1-9任意一项所述的高功率微波介质窗，其特征在于，所述曲面周期性结构单元的深度为F1Cm量级，面密度约为f2XcnT2量级。
【文档编号】H01P1/08GK104134833SQ201410374213
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】常超, 刘彦升, 黄文华, 李爽, 武晓龙, 郭乐田, 陈昌华 申请人:西北核技术研究所