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[学位]

真空中高功率微波下介质窗击穿破坏及抑制技术研究

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Author:

郝西伟 (郝西伟.)

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学位论文库

Abstract:

介质窗是高功率微波(High Power Microwave,HPM)产生装置的重要组成部件,用于实现HPM从真空到大气氛围的辐射。然而,当HPM穿过介质窗时,在真空/介质的界面上易发生击穿破坏现象,极大限制了HPM的产生和输出,已成为制约HPM技术进一步发展的主要瓶颈。由于真空HPM介质窗击穿现象的复杂性,其击穿破坏机理尚未完全清楚。因此研究真空中HPM介质窗材料的击穿破坏现象,明确其机理,并寻求有效的介质窗击穿抑制技术,对于提高我国高功率微波技术的发展具有极其重要的学术和应用意义。有机聚合物材料具有易加工性能,可方便地制成结构复杂、大尺寸的介质窗,能够满足大功率微波装置的要求,为目前主流的介质窗材料。因此,本文以聚四氟乙烯(PTFE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和有机玻璃(PMMA)四种典型有机介质窗材料作为研究对象,对材料的基本介电特性、表面陷阱参数、二次电子发射系数和解吸附气体特性等进行测量研究。研究表明,几种材料中,PTFE具有较高的电阻率和电子陷阱密度以及较低的介质损耗、二次电子发射系数和解吸附气体量;PMMA具有较高的介质损耗角和解吸附气体量;而两种PE材料除二次电子发射系数高于PTFE和PMMA外,其它特性均介于PTFE和PMMA之间。综合比较认为,PTFE材料具有优良的介电特性,是较理想的有机介质窗材料,而PMMA材料性能最差,PE材料介于两者之间。针对上述典型的有机介质窗材料,开展了GW级HPM击穿实验,对其表面击穿特性进行研究。研究表明,表面击穿阈值与材料的介电特性密切相关,在相同的HPM作用下,PTFE由于较低的二次电子发射系数和解吸附气体含量,其表面击穿阈值最高;PMMA由于较高的解吸附气体含量,其表面击穿阈值最低;HDPE和LDPE材料的表面击穿阈值介于PTFE和PMMA之间。并对击穿破坏后的介质窗样品进行分析,研究了有机介质材料的微波击穿破坏特性。研究发现,介质窗材料的表面破坏通道与微波电场方向平行,且表面存在圆坑状破坏、细丝状破坏和树枝状裂痕三种形式。随着微波击穿次数的增加,发现树枝状破坏既沿介质表面生长,同时也向介质内部发展,并提出一个介质材料破坏模型,认为微波电场的作用导致树枝沿电场方向发展,微波磁场和表面静电场的作用导致了树枝向介质内部延伸。分析了树枝状破坏产生和发展的机理,认为表面局部缺陷是树枝状破坏产生的主要诱发原因,倍增电子的热沉积和材料内部的微孔电击穿是促进树枝状破坏进一步发展的重要因素。由于PTFE具有优良的抗微波击穿特性,针对其开展了表面镀膜、表面抛光和表面刻槽处理抑制技术研究。实验发现,由于国内镀膜工艺的限制,镀膜前后介质窗表面击穿阈值变化不明显。表面3000目砂纸的打磨抛光可在一定程度上减少表面局部缺陷,提高表面击穿阈值,降低材料的破坏程度。垂直于电场方向的周期性矩形刻槽可在一定功率范围内大幅提高击穿阈值,且其抑制效果受刻槽深度和槽宽的影响。并理论分析了矩形槽抑制击穿的机理,认为其主要原因是由于槽底部产生的倍增电子在碰撞到槽侧壁时能量降低以及槽壁上电子倍增受到抑制而电子数目不断减少,这样电子在槽底产生又在槽壁消失,从而抑制击穿的发生。基于PIC和Monte Carlo方法,编制了真空HPM介质窗表面击穿的仿真程序。仿真研究了介质窗表面倍增电子运动状态以及倍增过程中电子数目和表面静电场的变化规律。仿真表明,GHz微波频率下介质窗表面电子运动轨迹为类抛物线状,电子初始发射角度、微波电场幅值、相位和频率共同影响介质表面电子的运动状态。在介质表面电子倍增过程中,电子数目和表面静电场均以两倍的微波频率呈周期性振荡。分析认为,电子数目周期性振荡的根本原因是电子撞击能量随微波相位呈周期性变化。并对矩形槽抑制击穿的物理过程进行仿真研究,获得了矩形槽内倍增电子的运动状态,其结果表明,倍增电子在撞击槽壁时能量均有明显降低,特别是槽壁上产生的次级电子在返回时的撞击能量仅为几个电子伏,不足以产生新的二次电子,因而槽底产生的倍增电子在槽壁得到有效的抑制,仿真结果与实验结果和理论解释完全一致。

Keyword:

高功率微波介质窗击穿击穿抑制倍增电子

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电气工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 张冠军

Year: 2011

Language: Chinese

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30 Days PV: 3

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