刻槽结构高功率微波输出窗次级电子倍增效应

从理论上分析了周期性矩形刻槽对喇叭天线输出窗真空侧次级电子倍增的影响。采用动力学方法分析得到电子沿介质窗表面运动的渡越时间和碰撞能量,验证得到一定尺寸的矩形刻槽介质窗可以有效抑制次级电子倍增效应。在此情况下,对比了刻槽和不刻槽两种输出窗的辐射特性,发现周期2 mm、宽度1 mm、深度1 mm的矩形刻槽对介质窗辐射特性的影响可以忽略。     

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。     

横磁模下介质表面二次电子倍增的抑制

在介质加载加速器结构(DLA)内, 提出采用刻槽结构结合外加磁场的方法用于在电磁场横磁(TM)模式下抑制介质表面的电子倍增. 通过理论分析和数值模拟, 比较了刻槽结构和纵向磁场对斜面上电子碰撞能量和渡越时间的影响, 得到了在介质表面同时存在法向RF电场及切向RF电场时, 采用刻槽结构并施加一定的纵向磁场强度, 可有效抑制二次电子倍增的发展, 提高介质面的击穿阈值.     

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。     

释气对介质沿面闪络击穿影响的粒子模拟

为研究释气下的高功率微波介质沿面闪络击穿物理机制,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、次级电子发射、蒙特卡罗碰撞模型以及碰撞退吸附气体分子模型;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别研究了弱退吸附、强退吸附以及释气分子运动速率对沿面闪络击穿的影响.研究结果表明:介质沿面闪络击穿本质是沉积功率的持续增加.弱退吸附下,次级电子倍增占优,随着退吸附系数的增加,碰撞电离效应对次级电子倍增有促进作用,主要表现为介质窗表面静电场、表面碰撞电子平均能量以及表面碰撞电子数目的增加,此处的表面碰撞电子主要是次级电子倍增形成的;释气分子运动速率高导致介质面附近气压下降,不利于次级电子与气体分子间碰撞电离过程形成.强退吸附下,气体碰撞电离效应占优,随着退吸附系数的增加,离子数增加速度表现为电离频率增加的指数增长形式,碰撞电离效应对次级电子倍增有抑制作用,主要表现为介质窗表面静电场为负、表面碰撞电子平均能量的降低,但是表面碰撞电子数目却得以增加,此处的表面碰撞电子主要是贴近介质面的气体碰撞电离形成的;释气分子运动速率高导致气体厚度增加,扩大了气体碰撞电离作用区域,有利于气体碰撞电离.     

真空条件下介质窗表面微波击穿实验

介绍了介质表面真空微波击穿研究实验装置的设计以及介质表面刻凹槽实验。微波源为S波段速调管,中心频率2.86 GHz,脉宽1μs。为确保击穿发生在后端介质样品处,而前端用于和速调管源隔离的陶瓷微波窗不击穿,实验装置采用先分后合的方法,利用两个陶瓷窗,每个陶瓷窗传输总功率的一半。为了抑制三相点带来的效应,采用凹形的圆柱介质,三相点处于电场强度弱的位置,有效消除了三相点的影响。在此实验装置上做了表面刻凹槽实验,初步实验结果表明,与光滑表面击穿阈值相比较,刻凹槽可使功率容量提高2倍以上。     

介质窗横向电磁场分布下的次级电子倍增效应

本文利用自编P3D3V PIC程序, 数值研究了BJ32矩波导传输TE₁₀模式高功率微波在介质窗内、 外表面引发的次级电子倍增过程, 给出了次级电子3维空间位置分布特征、介质窗表面法向静电场分布规律以及电子数密度分布特性. 模拟结果表明: 对于介质窗内侧, 微波强场区域率先进入次级电子倍增过程; 而对于介质窗外侧, 则是微波弱场区域优先进入次级电子倍增过程. 形成机理可以解释为: 微波坡印廷矢量方向与介质窗外表面法向相同而与内表面法向相反, 内侧漂移运动导致强场区域电子易于被推回表面, 有利于次级电子倍增优先形成; 外侧漂移运动导致强场区域电子易于被推离表面, 不利于次级电子倍增形成. 准3维模型相对1维模型: 介质窗内侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间长、饱和次级电子数目少、平均电子能量高、 入射微波功率低、沉积功率低; 介质窗外侧次级电子倍增过程中, 次级电子倍增进入饱和时间短、饱和次级电子数目少、平均电子能量低、 入射微波功率低、沉积功率低. 沉积功率与入射微波功率比值与微波模式、强度及介质窗内外侧表面关系不大, 准3维和1维模型计算结果均在1%–2%左右水平. 关键词： 高功率微波 介质表面次级电子倍增 粒子模拟 横向电磁场分布     

刻周期半圆弧槽窗片对次级电子倍增效应的抑制

为了抑制高功率盒形窗内的次级电子倍增效应,研究了一种刻周期半圆弧槽窗片结构. 通过对槽内电场进行分析,证明了半圆弧状槽可以有效避免尖锐边界的局部场增强效应. 利用蒙特卡罗随机算法对槽内的次级电子倍增效应进行数值模拟,跟踪次级电子的轨迹及发展趋势,获得了不同槽宽所对应的抑制次级电子倍增最低电场强度. 讨论了法向电场对半圆弧槽抑制次级电子倍增的影响. 该结构有望在高功率速调管中获得应用. 关键词： 盒形窗 半圆弧槽 次级电子倍增 蒙特卡罗模拟     

高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明:真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子（eV量级）数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为s量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子（keV量级）碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。     

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。     

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。     

高功率微波输出窗内侧击穿动力学的PIC/MCC模拟研究

高功率微波在受控热核聚变加热、微波高梯度加速器、高功率雷达、定向能武器、超级干扰机及冲击雷达等方面有着重要的应用.本文针对高功率微波输出窗内侧氩气放电击穿过程,建立了二次电子倍增和气体电离的一维空间分布、三维速度分布（1D3V）模型,并开发了相应的PIC/MC程序代码.研究了气压、微波频率、微波振幅对放电击穿的影响.结果表明：在真空情况下,介质窗放电击穿只存在二次电子倍增过程;在低气压和稍高气压时,二次电子倍增和气体电离共存;在极高气压时,气体电离占主导.给出了不同气压下电子、离子的密度和静电场的空间分布.此外还观察到,在500 mTorr时,随着微波振幅或微波频率的变化,气体电离出现的时刻和电离产生的等离子体峰值位置有较大差异,尤其是当微波频率（GHz）在数值上是微波振幅（MV/m）的2倍时,气体电离出现的较早.     

低能二次电子对微波输能窗击穿现象的影响

在微波输能窗次级电子倍增效应的模拟研究中,往往忽视低能电子的作用。基于Monte Carlo算法,模拟输能窗次级电子倍增规律,研究了经典的Vaughan模型、Vincent模型和Rice模型三种二次电子发射模型下次级电子倍增效应的差异,通过拟合倍增敏感曲线,获得了低能电子对切向和法向电场作用下输能窗次级电子倍增效应的影响。模拟结果表明,当切向电场作用时,三个发射模型得到的敏感曲线几乎重合,低能电子对敏感曲线的影响甚微,其中Rice模型的敏感区域最大。当法向电场作用时,由Vincent模型拟合得到的敏感区域远大于其他两个模型。     

介质表面高功率微波击穿中释气现象的数值模拟研究

建立了一个简单的高功率微波(HPM)介质表面击穿释气模型,并采用PIC(partiele-in-cell)-MCC(Monte Carlo collisions)方法,通过自行编写的介质表面击穿数值模拟程序对不同释气条件下的介质表面HPM击穿过程进行了数值模拟研究,得到了击穿过程中电子数量等的时间图像和不同释气速度下的击穿延迟时间.模拟结果表明,对于具有一定时间宽度的HPM脉冲,当介质表面气体脱附速度较小时,由于介质表面气体层形成太慢而不会发生击穿;只有当脱附速度大于一定值时,击穿才会发生且击穿延迟时间在一定范围内随着脱附速度的增加而缩短.最后,将数值模拟得到的介质表面HPM击穿数据,与单极性表面击穿的实验诊断图像进行了对比,两者的发展趋势符合很好. 关键词： 释气现象 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟     

高功率微波作用下O-离子解吸附产生种子电子过程

种子电子是高功率微波大气击穿的根源, 研究高功率微波大气击穿时, 一般假设背景大气中存在种子电子, 此假设在低层大气环境中会给模拟结果带来较大误差. 本文建立了高功率微波强电场作用下O^-离子解吸附碰撞过程物理模型, 基于传统的空碰撞模型, 提出了改进的蒙特卡罗仿真方法, 编写了三维仿真程序, 对高功率微波作用下O^-离子的解吸附过程进行了仿真, 分析了O^-离子平均能量随时间的变化过程以及O^-离子与空气分子的碰撞过程, 得到了不同压强、场强、频率和击穿体积条件下种子电子平均产生时间. 理论与仿真结果表明, 随着频率增大, 种子电子平均产生时间变大, 随着击穿体积、场强以及压强增大, 种子电子平均产生时间变小. 最后, 考虑O^-离子与空气分子解吸附碰撞提供种子电子条件下, 给出了大气击穿时间理论与实验对比结果, 发现高功率微波频率较低时, 该种子电子产生机理可以解释实验结果, 而高功率微波频率较高时, 该机理下种子电子平均产生时间过长而与实验数据不符.     

双边二次电子倍增效应分析

 根据高功率微波源相互作用腔结构,建立了一种双边二次电子倍增效应模型。采用概率统计和蒙特卡罗模拟方法,计算了敏感曲线和二次电子的时间演化规律,分析了射频场参数和结构参数对二次电子倍增效应的影响。结果表明：高频场比低频场更容易发生二次电子倍增效应;二次电子倍增效应的时间演化与射频场的大小和腔结构呈非单调关系,且电子掠入射时比正入射时的共振区域要大得多,这与理论分析的结果一致。     

过模返波管的正反馈机制

作为一个典型的高功率微波振荡器,过模返波管(backward wave oscillator,BWO)的束波互作用过程复杂,束流负载效应影响明显,但是作为振荡器本身,其本质就是一个正反馈电路,电子从阴极发射后,穿过谐振反射腔和慢波结构(slow-wave structure,SWS),在SWS区电子动能转化为微波能,其中的一部分微波反馈到谐振反射腔,实现对电子束的调制,其他微波通过后面输出端口向外辐射.本文根据这种正反馈机制,建立器件工作模式等效电路和束波互作用的自洽过程,从理论上给出正反馈机制对器件模式控制、起振电流等参数的影响,并模拟研究了这种反馈机制对模式控制的影响,由此设计了一个能够在(1 MV,20 kA)电子束条件下克服模式竞争的过模BWO,其微波输出功率为7.9 GW,频率为8.68 GHz,相应的效率为39.5%.