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。     

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     

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     

双面次级电子倍增效应向单面次级电子倍增效应发展规律的研究

次级电子倍增效应引起的输出窗失效问题往往给微波器件造成灾难性的影响, 是限制微波器件功率进一步提升的瓶颈. 以S波段高功率盒形窗为研究对象, 针对盒形窗内无氧铜金属边界与陶瓷介质窗片相对的区域, 建立了研究法向电场作用下次级电子倍增效应的Monte-Carlo模型. 通过拟合这两种材料间双面次级电子倍增以及单面次级电子倍增效应的敏感曲线, 对次级电子倍增发展特点进行详细分析, 获得了金属与介质之间的次级电子由双面倍增向单面倍增演变的规律.     

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.     

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。     

外磁场对介质表面次级电子倍增效应的影响

本文采用Particle-in-cell数值方法模拟研究了不同强度外磁场条件下的次级电子倍增效应过程,分析了外磁场对次级电子倍增效应的影响.结果表明,当外磁场达到一定强度时,次级电子倍增效应在微波传输的一半时间内被抑制.通过外磁场抑制,在理想条件下可以使介质窗的微波传输功率容量提高4倍以上.     

强直流场介质表面次级电子倍增效应的数值模拟研究

通过粒子模拟方法,实现了强直流场下介质表面击穿过程中次级电子倍增效应的数值模拟.具体研究了强直流场场强、介质表面光滑度和次级电子产生率等对次级电子倍增的影响,以及倾斜直流场和外加磁场对次级电子倍增的抑制.结果表明,选择次级电子产生率较低的介质材料和倾斜强直流场可以有效降低次级电子倍增效应的强度,而外加磁场必须超过一定值时才可以有效降低次级电子倍增强度. 关键词： 次级电子倍增 强直流场 介质表面击穿 数值模拟     

金属壁与介质窗之间次级电子倍增效应的研究

高功率盒形窗内的TM11模法向电场对次级电子倍增现象具有较大的影响,特别是在介质窗片与金属波导壁相对的区域,易发生双面次级电子倍增.采用蒙特卡罗粒子模拟方法,研究了法向电场作用下氧化铝陶瓷窗片与铜波导壁之间的双面倍增敏感曲线、倍增阈值电压、粒子数量的演变过程以及粒子运动轨迹.通过对相关参数的分析,获得了金属壁与陶瓷窗片之间双面谐振倍增和非谐振倍增的规律以及双面倍增向单面倍增转变的特点.此研究可为分析窗片失效机理提供理论依据.     

电介质表面纵向射频电场对次级电子倍增效应的影响

基于次级电子倍增动力学模型和次级电子发射曲线,运用蒙特卡罗方法模拟电介质表面具有纵向射频电场作用下的单边次级电子倍增现象,研究次级电子倍增的表面电场敏感曲线和时间演化图像. 以一个S波段射频介质窗为例,计算次级电子在其介质表面的沉积功率. 结果表明,纵向射频电场可能加剧电介质表面的次级电子倍增效应,易于导致介质片破裂,不利于高频能量传输. 关键词： 纵向射频场 次级电子倍增效应 蒙特卡罗方法 功率沉积     

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。     

Investigation of the sapphire window on short MM waves band

A analytic method of the eguivalent network for RF sapphire window of 3mm diffraction radiation oscillator is given in the paper. Numerical simulate and experiment are carried out on 3mm wave band. The testing results show that the design method agrees with the practical windows, and it is the fast optimum method. We employ the universal method, the piece of the window can be equal to dielectric waveguide and one end of the window connects the coupling slit of the mirror of open cavity. The design window by means of this method is used satisfactorily on 3mm DRO. The tube operates in the 84 – 108GHZ band, the output power is about 250mW.     

高功率微波馈源输出窗的研究

 结合物理光学和几何光学，讨论了高功率微波馈源真空输出窗的形状和厚度的设计方法，给出了一个X波段、脉冲功率容量1.5 GW、外径548 mm、高83.4 mm、厚33.4 mm的高斯馈源聚四氟乙烯碟形真空输出窗的设计实例。在中心频率9.3 GHz时测试输出窗的驻波系数为1.07,驻波系数小于1.24的频带为9%,带介质窗的馈源方向图与不带介质窗的馈源方向图基本一致。应用一维传热学理论对介质窗内部的温度分布进行了分析。冷测结果与理论结果基本一致。     

Transmittance investigation on capacitive mesh on thick dielectric substrates as output windows for optically pumped terahertz lasers

This paper reports that an output window for optically pumped terahertz (THz) laser has been fabricated by depositing a capacitive nickel-mesh on a thick high-resistivity silicon substrate (approximating to 5 mm thick).Unlike the conventional process of depositing a gold film approximating to 100 nm on negative photoresist using electron-beam evaporation,a nickel film approximating to 1.5 μm thick is directly deposited on the clean surface of dielectric substrate using magnetron sputtering and then a positive photoresist is spun onto the nickel metal surface at 6000 r for 60 s.A transmittance spectrum of the output window in a certain frequency range (say,from zero to 1 THz) has been obtained by using THz time domain spectroscopy.Moreover a transmittance spectrum simulated numerically has also been estimated with respect to the output window using the transmission-line model (TLM) containing attenuation component from dielectric substrate.The simulation results show that the TLM can explain well the experimental curve in a certain frequency range from zero to 1 THz.Thus it is demonstrated that the improved optical component can be efficiently used as both output coupler and output window for optically pumped THz lasers.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

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。     

光学侧窗头罩致冷系统的研制工艺

当高速拦截器在空中高速飞行时,拦截器上的光学侧窗头罩需要合适的冷却系统以确保拦截器的工作正常。为了满足光学侧窗头罩冷却系统的要求,分别将内外两种冷却方式对光学侧窗头罩成像的影响进行了分析。提出了光学侧窗头罩内冷却窗口的研制工艺,从如何选择红外光学材料开始,对下料、粗磨、刻槽、精磨、抛光等光学加工环节分别进行了介绍,描述了光学侧窗头罩致冷系统的光学加工过程。重点介绍了如何在光学材料上加工出沟槽,完成光学侧窗头罩制冷窗口内冷却通道的加工工艺。     

Design of ultrabroadband internal reflection gratings with high efficiency

A high-efficiency, ultrabroadband dielectric internal reflection grating with rhombus-shaped grooves is designed by a rigorous coupled-wave analysis, and an effective method for predicting spectral bandwidths of gratings from their efficiency maps is presented. The grating can be fabricated from a single dielectric material, and its reflection diffraction efficiency of the -1st order can reach more than 0.99. More importantly, an ultrabroadband top-hat diffraction spectrum with efficiency exceeding 0.98 over 170 nm wavelength wide is achieved, which makes the gratings suitable for applications associated with broadband illumination, such as ultrashort pulses.