高功率微波输出窗真空—介质界面击穿研究

论文摘要

真空与介质界面的电击穿是限制高功率微波（HPM）能量传输和辐射的根本性因素。出于满足高功率微波对输出窗功率容量的需求,本论文从次级电子倍增理论出发,对输出窗击穿的物理问题进行了研究。论文首先根据J. R. M. Vaughan次级电子发射的经验公式,给出了一种线极化平面波垂直入射输出窗表面时电子倍增的统计描述。接着改进了次级电子发射的粒子模拟模型,并通过该模型建立了一种新的输出窗表面电子倍增的蒙特卡罗粒子模拟方法。在对模型进行验证之后,考察了不同材料特性对敏感性曲线的影响,并给出了敏感性曲线统计意义上的解析估计。应用电子倍增的动力学模型,本文对输出窗真空与介质界面电子倍增的时间演化规律进行了研究。研究表明输出窗表面电子倍增的饱和态是一种周期振荡状态。在这饱和态下,空间粒子数、表面直流场、入射电子平均能量、次级电子平均产生率都以2倍射频场频率周期振荡。通过对直流电场与射频电场合成轨迹的分析,得出了线极化平面波入射条件下,输出窗表面的电子倍增过程具有李萨如行为特性的论断。输出窗表面法向直流电场与外加射频电场合成振荡的时间轨迹是频率之比为2:1的李萨如图形,这种图形的形状与绕旋方向决定于外加射频场振幅对频率归一化后的比值。同时,本文对输出窗真空与介质界面射频击穿的粒子模拟也表明:在射频场的周期性作用下,空间电荷在介质表面法向上缩聚、在切向上摇摆,并且在时间上存在密度调制,这些机制把空间电荷局限于电荷发射区域而不会造成大面积的膨胀或扩张。对比射频和直流两种情况下真空与介质界面电子运动行为的不同,得出了真空条件下的射频击穿可具有不同于直流击穿的特性,并用实验所得结果进行了证实。另外,模拟也验证了倍增电子沉积到介质界面的能量大约是入射电磁波能量的1%,但这个比例并不是与材料无关的量,而是依赖于所用窗口材料的性能参数。模拟和理论计算结果都证明了具有较小次级电子产生率、较低电子发射能、较高第一交叉点能量的微波材料或涂层的沉积功率比较低。最后,本文针对高功率微波对输出窗材料介电参数测试的需求,设计了一种基于闭式谐振腔TM0mn模式测量介质材料复介电参数的方法。利用模式匹配技术和Ritz-Galerkin方法给出了腔中电磁场分布,推导了介质材料相对介电常数和损耗角正切的测量公式,并利用散射参数在史密斯圆图上拟合曲线圆的方法实现了品质因数的精确测量。使用该方法对聚乙烯材料进行的测量结果表明:该方法对介质材料介电参数的测量具有一定的测量精度,相对介电常数的测量误差在1%以内,品质因数的误差在5%10%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高功率微波发展现状与趋势
• 1.1.1 高功率微波发展现状
• 1.1.2 高功率微波发展趋势
• 1.1.3 高功率微波发展面临的新挑战
• 1.2 介质窗射频击穿研究的现状
• 1.2.1 高功率微波输出窗介质界面击穿的实验研究进展
• 1.2.2 高功率微波输出窗介质界面击穿的理论研究进展
• 1.2.3 输出窗介质界面击穿粒子模拟的发展
• 1.3 课题的研究意义与主要工作
• 第二章 微波窗射频击穿的物理机制与电子倍增的统计分析
• 2.1 微波输出窗电击穿的物理机制
• 2.1.1 输出窗电子倍增的种子电子来源
• 2.1.2 次级电子发射
• 2.1.3 高功率微波条件下介质界面次级电子倍增与击穿
• 2.2 微波输出窗次级电子倍增的统计分析
• 2.2.1 电子的运动
• 2.2.2 次级电子的渡越时间分布
• 2.2.3 次级电子倍增的统计学描述
• 2.2.4 次级电子倍增的数值计算与主要结果
• 2.3 本章总结
• 第三章 微波输出窗表面电子倍增的蒙特卡罗建模与仿真
• 3.1 蒙特卡罗方法概述
• 3.1.1 蒙特卡罗方法的基本原理与思想
• 3.1.2 蒙特卡罗基本分析过程
• 3.1.3 蒙特卡罗方法在粒子输运问题中的应用
• 3.2 次级电子倍增放电的蒙特卡罗模拟方法
• 3.2.1 次级电子发射的概率模型
• 3.2.2 次级电子发射模型的蒙特卡罗实现方法
• 3.2.3 输出窗次级电子倍增的蒙特卡罗模拟流程
• 3.3 电子倍增的敏感性曲线的蒙特卡罗模拟
• 3.3.1 不同材料特性下的敏感性曲线
• 3.3.2 敏感性曲线的解析估算
• 3.4 本章总结
• 第四章 输出窗表面电子倍增稳态过程的研究
• 4.1 输出窗次级电子倍增的传输线近似模型
• 4.1.1 真空介质界面次级电子倍增的传输线近似模型
• 4.1.2 真空介质界面次级电子倍增的形成与发展过程
• 4.1.3 小结
• 4.2 输出窗表面电子倍增饱和阶段的李萨如行为特性
• 4.2.1 不同射频场条件下的李萨如图形
• 4.2.2 决定李萨如图形构型特征的参数
• 4.2.3 饱和态下沉积功率研究
• 4.2.4 小结
• 4.3 真空-介质界面直流电击穿与射频击穿轨迹的比较分析
• 4.3.1 微波窗倍增放电阶段空间电荷演变分析
• 4.3.2 HPM 真空介质界面击穿与介质表面直流击穿轨迹实验比较
• 4.3.3 小结
• 4.4 本章总结
• 第五章 输出窗材料介电性能测量和抑制击穿的方法
• 5.1 高功率微波馈源输出窗材料性能要求
• 5.2 微波窗材料介电参数测量
• 5.2.1 模型及理论分析
• 5.2.2 品质因素的测量
• 5.2.3 测量装置与测量结果
• 5.2.4 测量误差分析与讨论
• 5.2.5 小结
• 5.3 抑制输出窗击穿的方法和措施
• 5.3.1 材料性能和制造工艺
• 5.3.2 改进几何结构
• 5.3.3 介质窗的表面处理
• 5.4 本章总结
• 第六章 总结
• 6.1 主要工作及结果
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果