高功率微波介质窗表面矩形槽抑制二次电子倍增

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹,考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响,理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz,脉宽1μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验,试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率,在槽深(1.0mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化,仿真结果很好地验证了试验现象。     

X波段高功率微波对介质窗材料的破坏现象

 在X波段微波源（频率9.4 GHz,功率1 GW）下,对4种典型介质窗材料（聚四氟乙烯、有机玻璃、低密度聚乙烯及高密度聚乙烯）在真空中进行了微波放电击穿实验,同时考虑了材料的不同表面处理工艺（表面刻槽和抛光）对其击穿特性的影响,对微波击穿后样品的表面形貌进行了宏观和微观分析,实验观测到:介质表面出现了沿微波电场方向的明显树枝状破坏现象,且材料表面处理工艺对其击穿破坏程度有显著影响,认为树枝状破坏通道与施加的微波场有着密切的关系。通过观察透明有机玻璃内部的树枝状破坏,发现树枝既沿介质表面生长,同时也向介质内部发展。提出了微波作用下介质窗击穿破坏的物理模型,认为微波电场导致树枝状破坏沿电场方向发展,而微波磁场导致树枝状向介质内部发展,并进一步给出了树枝状破坏起始和发展的可能原因。     

C波段小型化高功率微波输出窗的设计

为了满足高功率微波系统对微波输出窗高功率容量和紧凑化的应用需求,以传统盒型窗的设计理论为基础,通过优化窗体结构和添加过渡段等手段,设计了一种C波段小型化高功率微波输出窗。通过增大窗体表面积、改变矩形波导-圆波导过渡段的连接方式可提高功率容量并缩小微波输出窗的纵向尺寸;采用“I”型的窗体结构可有效抑制三相点（真空-介质-金属）附近的次级电子倍增效应对输出窗性能的影响。在电磁仿真的基础上采用粒子模拟（Particle-in-Cell）的方法研究了微波输出窗三相点附近的次级电子倍增效应,从微观角度进一步证实了“I”型窗体结构可使三相点位置发生移动,减小三相点发射的电子在窗片表面产生次级电子倍增效应的概率,降低微波输出窗的击穿风险。设计结果表明,微波输出窗在中心频点处的主模反射系数低于0.01,传输效率高于99.9%,功率容量可达47.9 MW。     

真空高功率微波介质窗表面击穿破坏现象的研究进展

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面,介绍了国外最具代表性的研究成果,给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律,并提出相应的理论模型。在理论仿真方面,重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献,给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态,并提出了一个理论模型,从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。     

均压环在高功率微波辐射天线窗中的应用

为提高高功率微波（HPM）辐射天线的功率容量,设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变,电子运动轨迹也随之发生改变,改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时,CST模拟表明,均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器（BWO）实验中（输出微波为TM01模）,结果表明:在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时,普通天线窗输出脉宽为45 ns,而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。     

大功率速调管自激振荡实验研究

利用北京自由电子激光装置中的微波系统,进行了大功率速调管自激振荡的实验研究.通过调节速调管在振荡模式工作时的反馈回路参数,对速调管自激振荡输出功率、频率和频率稳定性、建立时间等性能进行了测量,实验结果说明大功率速调管振荡工作模式可以满足作为电子直线加速器微波功率源的要求.     

X波段馈源输出窗高功率微波击穿实验装置

为了开展高功率微波(HPM)馈源输出窗介质击穿实验研究,设计了一种组合型X波段高功率微波(HPM)喇叭馈源击穿实验装置。装置采用变张角喇叭与可移动介质输出窗组合的结构,通过调节变张角喇叭口面与输出窗间的距离,使得介质输出窗内表面电场强度可调。数值模拟结果表明:在满足馈源喇叭驻波比小于1.15,E面和H面基本等化的情况下,当调节变张角喇叭口面与介质输出窗距离在0~400 mm范围内变化时,HPM馈源输出窗上的电场强度变化为32.6~87.0 kV.cm-1,满足了在真空度3×10-3Pa、脉冲宽度20 ns条件下,HPM介质击穿对电场强度变化的要求。根据数值模拟结果,设计加工了HPM介质击穿实验装置,并成功地应用于GW级HPM馈源输出窗介质击穿实验研究。     

微波输出窗内表面闪络击穿3维全电磁等离子体流体模拟北大核心CSCD

通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型,基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D,编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块,对1.3GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明:微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下,等离子体发展为"蘑菇"形状,输出微波脉冲缩短并不严重,等离子体吸收微波功率大于反射微波功率;面源分布下,等离子体发展为"帽子"形状,输出微波脉冲缩短严重,输出微波完全截断,开始阶段等离子体吸收微波功率占优,待等离子体密度增加到一定程度后,反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法,可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。     

L波段高功率波导缝隙阵设计与数值模拟

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统,系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量,天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板,除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明,设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时,增益为22.7 dBi,天线口径效率为98.3%,反射系数为-25 dB,带宽达到5%,带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2。系统功率容量达到1.92 GW。     

波导型高功率微波输能窗的研究进展

波导型高功率微波输能窗是高功率速调管和高能粒子加速器的关键部件,输出窗高频击穿是引起高功率速调管失效的一个重要因素。综述了国内外电真空领域波导型输能窗的研究进展,介绍了传统盒型窗的研究现状、工艺要求和击穿机理;介绍了锥型窗、行波窗、复合模窗以及过模窗等新型输能窗的设计特点,给出了改变窗片材料属性、改变窗片表面形态、窗片边缘倒角、外置直流电场/直流磁场、改变信号波形等击穿抑制技术的研究进展。     

高功率微波介质击穿中X射线和紫外线的初步诊断

 研制了一套宽光谱探测系统,该系统包括紫外成像探测器和X射线成像探测器两个工作单元。利用该系统对高功率微波（HPM）源运行及聚四氟乙烯介质窗受微波场作用而发生击穿时实验环境中的紫外线和X射线进行了初步诊断。结果表明：HPM源运行参数为重复频率100 Hz,运行时间5 s,介质窗未发生击穿时,微波源二极管区产生的X射线剂量为9.28×10²～1.64×10³ Gy,介质窗发生击穿时,环境中X射线剂量为5.38×10²～1.09×10³ Gy;随着微波脉冲重复频率和运行时间的增加,产生的X射线剂量明显增加。此外,利用该系统证实了实验环境中紫外线的存在。     

无箔二极管径向绝缘的数值模拟研究

 介绍绝缘子表面闪络的物理机制，对四种径向绝缘结构模型，用PIC数值模拟方法计算绝缘子表面的电场分布，比较它们三结合点以及沿绝缘子表面的合成电场大小，加导引磁场，考虑电子束发射、模拟电子回流对绝缘子表面闪络的影响，由此提出优化结构，对实际工程设计绝缘子有重要意义。     

Use of a liquid-metal cathode in high-vacuum studies of electric breakdown

Studies of electric breakdown in a high vacuum involving liquid-metal (mercury and gallium) cathodes, whose surfaces are stabilized by centrifugal forces, have shown that an increase in the angular velocity at which the experimental apparatus rotates causes an increase in the breakdown field; the mechanism for the vacuum breakdown is found to be independent of the voltage across the electrodes. According to the Frenkel theory, vacuum breakdown results from a disruption of the steady state on the liquid-cathode surface in an electric field. Drops of liquid metal on the anode degrade the dielectric properties of the vacuum gap. Under these conditions, the breakdown mechanism becomes dependent on the voltage across the electrodes. Oxide films on the cathode surface also degrade the dielectric properties of the vacuum gap. It is suggested that the dielectric may be charged by positive ions emitted from the cathode.Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Fizika, Vol. 12, No. 4, pp. 44–49, April, 1969.     

介质表面高功率微波击穿的数值模拟

研究了用于模拟高功率微波条件下介质表面击穿的静电PIC-MCC模型,并通过自行编写的数值模拟程序模拟了真空及不同气压条件下介质表面击穿过程中的次级电子倍增和气体电离等过程.模拟结果发现,在真空及低气压条件下,电子的主要来源是次级电子倍增,电子数量以两倍于入射场的频率振荡;在高气压情况下,电子的主要来源是气体电离. 关键词： 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟 次级电子倍增     

Scale-Invariant Branch Distribution from a Soluble Stochastic Model

We consider a general model of branch competition that automatically leads to a critical branching configuration. This model is inspired by the 4– expansion of the dielectric breakdown model, but the mechanism of arriving at the critical point may be of relevance to other branching systems as well, such as fractures. The exact solution of this model clarifies the direct renormalization procedure used for the dielectric breakdown model, and demonstrates nonperturbatively the existence of additional irrelevant operators with complex scaling dimensions leading to discrete scale invariance. The anomalous exponents are shown to depend upon the details of branch interaction; we contrast with the branched growth model in which these exponents are universal to lowest order in 1–, and show that the branched growth model includes an inherent branch interaction different from that found in the dielectric breakdown model. We consider stationary and non-stationary regimes, corresponding to different growth geometries in the dielectric-breakdown model.     

电极表面光滑程度对水介质高电压击穿的影响

 采用水介质同轴实验装置，改变电极表面的光滑程度，在μs级充电时进行水介质击穿实验，并对实验结果进行了分析和解释。结果表明：抛光电极表面可有效提高水介质耐高电压击穿能力；表面粗糙度为0.4～0.8 μm的抛光电极表面的击穿场强比表面粗糙度为1.6～3.2 μm的粗糙抛光电极表面，更符合Martin公式。电极表面光滑程度的改善，使阴极场致发射电流减弱进而击穿延迟时间变长，气泡也更难以附着在光滑的电极表面，从而可以提高水介质耐高电压击穿能力。     

高压多脉冲真空间隙击穿实验研究

 在真空间隙击穿机理的理论基础上,设计了高压多脉冲下真空间隙的击穿实验方案,对相同材料的多对电极间隙在高压单脉冲和三脉冲下的真空击穿特性进行了实验研究。实验结果与脉冲下真空间隙的击穿机理相符,对脉冲数量增加对真空间隙宏观击穿场强的影响进行了验证,推断出了决定真空间隙宏观击穿场强的关键因素,并对多脉冲加速间隙最大宏观场强的设计提出了建议。