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波导型高功率微波输能窗的研究进展

张雪 王滔 俞倩倩 王勇

张雪, 王滔, 俞倩倩, 等. 波导型高功率微波输能窗的研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
引用本文: 张雪, 王滔, 俞倩倩, 等. 波导型高功率微波输能窗的研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
Zhang Xue, Wang Tao, Yu Qianqian, et al. Research progress of high-power waveguide window[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
Citation: Zhang Xue, Wang Tao, Yu Qianqian, et al. Research progress of high-power waveguide window[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257

波导型高功率微波输能窗的研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
基金项目: 湖南省自然科学基金项目(2017JJ3314);高功率微波技术重点实验室基金项目(6142605180304)
详细信息
    作者简介:

    张 雪(1985—),女,博士,从事大功率微波器件击穿模拟研究;zhangxue.iecas@yahoo.com

  • 中图分类号: TM21

Research progress of high-power waveguide window

  • 摘要: 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。
  • 图  1  盒型窗结构示意图[9]

    Figure  1.  Schematic diagram of pill-box window

    图  2  盒型窗电场分布图[10]

    Figure  2.  Electric field distribution of pill-box window

    图  3  日本KEK微波输能窗中低功率击穿图[12-13]

    Figure  3.  Low power breakdown diagrams of pill-box window of KEK

    图  4  日本KEK微波输能窗高功率击穿图[13]

    Figure  4.  High power breakdown diagrams of pill-box window of KEK

    图  5  TTU未镀膜盒型窗沿面闪络图[14]

    Figure  5.  Flashover diagram of uncoated pill-box window of TTU

    图  6  S波段输能窗电子与未镀膜窗片表面和金属边界的碰撞量[10]

    Figure  6.  Amount of colliding electrons in the S-band HPM window and metal boundary

    图  7  抑制盒型窗带内鬼模设计方案

    Figure  7.  Design scheme of ghost mold suppression inside the window belt of the box

    图  8  宽频带盒型窗模型图

    Figure  8.  Model diagrams of broad band pill-box window

    图  9  长盒型窗测试图

    Figure  9.  Long pill-box window test

    图  10  IECAS S波段长盒型窗窗片击穿损毁图

    Figure  10.  Breakdown damage diagrams of S-band long pill-box window of IECAS

    图  11  TE11模式锥型输能窗模型图及其频谱[2]

    Figure  11.  Model diagram of TE11 mode tapered window and its spectrum

    图  12  行波窗模型图

    Figure  12.  Model diagram of TWC window with TE11 mode

    图  13  传输TE11线极化模式圆波导窗二次电子倍增模拟结果,对应于驻波窗(ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f=11.4 GHz, Γ=0.05)

    Figure  13.  Simulation results of multipactor of TE11 linear polarization mode circular waveguide window (ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f=11.4 GHz, Γ=0.05, corresponding to standing wave window)

    图  14  传输TE11线极化模式圆波导窗二次电子倍增模拟结果,对应于行波窗(ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f =11.4 GHz, Γ=0.95)

    Figure  14.  Simulation results of multipactor of TE11 linear polarization mode circular waveguide window (ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f =11.4 GHz, Γ=0.95, corresponding to standing wave window)

    图  15  TE10-TE01模式变换器[2, 32-33]

    Figure  15.  TE10-TE01 mode converters

    图  16  TE012模式输能窗示意图

    Figure  16.  Model diagram of TE012 mode window

    图  17  TE11+TM11复合模式输能窗模式分布图[2]

    Figure  17.  Electric field mode distribution of TE11+TM11 mixed mode window

    图  18  复合模式输能窗示意图

    Figure  18.  Model diagram of mixed mode window

    图  19  三维周期性波状表面[51]

    Figure  19.  Morphology of the 3-D periodic wavy surface

    图  20  加工前后 95% Al2O3陶瓷表面形貌轮廓及研磨前后 95% Al2O3陶瓷表面显微形貌

    Figure  20.  Surface topography of the insulator before and after grinding and SEN images of the insulator’s surface before and after grinding

    图  21  三相点[54]

    Figure  21.  Triple point

    图  22  石英窗二次电子倍增阈值与静电场振幅的关系[56]

    Figure  22.  Dependence of the multipactor threshold on the amplitude of the electrostatic field for quartz disks

    图  23  外置单向直流偏置电场的二次电子倍增原理图[57]

    Figure  23.  Schematic of the multipactor with an external unidirectional DC bias electric field

    图  24  直流磁场作用下平均电子能量Eav与电子数Ne的演化,Ey=0.8 MV/m

    Figure  24.  Evolution of the average electron energy Eav and electron number Ne, Ey=0.8 MV/m

    表  1  各个频段典型的高功率速调管及其使用的输能窗

    Table  1.   High power klystrons and their HPM windows

    bandaffiliationmodel number of klystronfrequency/GHzpeak power/MWpulse width/μstype of output window
    LTEDTH18031.320150pill-box (double)
    CPIVKL-83011.3101500pill-box (double)
    TETDE3736H1.3101500pill-box (double)
    STETDE37122.8561001.0pill-box (double)
    IECAS2.8561202.0pill-box (double)
    TEDTH21532.9981501.2
    CPIVKS-83332.9981503.0pill-box (four)
    CTETDE37465.712502.5TWC with TE11 mode (double)
    XTETDE376111.42457.51.5TWC with TE01 mode (double)
    SLACXL411.424501.5TWC with TE01 mode (double)
    TETDE376811.424751.6mixed-mode (double)
    BVERI11.424503.6TWC with TE01 mode (double)
    CPIVKX-8311A11.994521.5TWC with TE01 mode (double)
    SLACXL511.994501.5TWC with TE01 mode (double)
    Note: SLAC—Stanford Linear Accelerator Center (USA);CPI—Communications & Power Industries (Canada); TETD—Toshiba Electron Tubes & Devices Co., Ltd (Japan);TED—Thales Electron Devices (France);IECAS—Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences (China);BVERI—Beijing Vacuum Electronics Research Institute (China).
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-06
  • 修回日期:  2020-11-04
  • 网络出版日期:  2020-11-10

波导型高功率微波输能窗的研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
    基金项目:  湖南省自然科学基金项目(2017JJ3314);高功率微波技术重点实验室基金项目(6142605180304)
    作者简介:

    张 雪(1985—),女,博士,从事大功率微波器件击穿模拟研究;zhangxue.iecas@yahoo.com

  • 中图分类号: TM21

摘要: 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。

English Abstract

张雪, 王滔, 俞倩倩, 等. 波导型高功率微波输能窗的研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
引用本文: 张雪, 王滔, 俞倩倩, 等. 波导型高功率微波输能窗的研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
Zhang Xue, Wang Tao, Yu Qianqian, et al. Research progress of high-power waveguide window[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
Citation: Zhang Xue, Wang Tao, Yu Qianqian, et al. Research progress of high-power waveguide window[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200257
  • 波导型高功率微波输能窗是保持高功率速调管和高能粒子加速器内部真空环境的关键部件。目前,电真空器件领域应用最多的波导型输能窗有矩形窗和圆盘窗(盒型窗),窗片材料多为95%~99%的Al2O3陶瓷,其相对介电常数在8.9~9.7之间。输能窗的结构与尺寸受真空器件的结构、体积与重量的限制,其性能也受焊接工艺和窗片材料等因素的制约[1]。输能窗的驻波-频率特性、插入损耗等参数对微波源的输出功率、带宽和寿命等技术指标有重要影响。为保障高功率速调管的稳定工作,考虑到反射波的影响,输能窗的功率容量应约为实际传输功率的4倍[2]。然而,过高的陶瓷表面二次电子倍增产额、设计不当导致窗片表面出现的强峰值电场、过大的热应力以及鬼模振荡等会使输能窗在使用过程中存在射频击穿的隐患。真空系统的传输功率很大程度上受限于输能窗的功率容量,因此微波输能窗一直是高功率微波源以及大科学工程装置相关研究领域所关注的重点问题。表1为国内外高功率速调管参数及其输能窗的使用情况[3-7],可以看出,低频段的高功率速调管通常采用盒型窗,高频段的高功率速调管多采用工作在TE11模或TE01模的行波窗,而且为了减轻输能窗的负担,采用双窗甚至四窗分支结构。本文介绍了这些波导型输能窗的研究现状和输能窗击穿抑制技术的研究进展。

    表 1  各个频段典型的高功率速调管及其使用的输能窗

    Table 1.  High power klystrons and their HPM windows

    bandaffiliationmodel number of klystronfrequency/GHzpeak power/MWpulse width/μstype of output window
    LTEDTH18031.320150pill-box (double)
    CPIVKL-83011.3101500pill-box (double)
    TETDE3736H1.3101500pill-box (double)
    STETDE37122.8561001.0pill-box (double)
    IECAS2.8561202.0pill-box (double)
    TEDTH21532.9981501.2
    CPIVKS-83332.9981503.0pill-box (four)
    CTETDE37465.712502.5TWC with TE11 mode (double)
    XTETDE376111.42457.51.5TWC with TE01 mode (double)
    SLACXL411.424501.5TWC with TE01 mode (double)
    TETDE376811.424751.6mixed-mode (double)
    BVERI11.424503.6TWC with TE01 mode (double)
    CPIVKX-8311A11.994521.5TWC with TE01 mode (double)
    SLACXL511.994501.5TWC with TE01 mode (double)
    Note: SLAC—Stanford Linear Accelerator Center (USA);CPI—Communications & Power Industries (Canada); TETD—Toshiba Electron Tubes & Devices Co., Ltd (Japan);TED—Thales Electron Devices (France);IECAS—Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences (China);BVERI—Beijing Vacuum Electronics Research Institute (China).
    • 盒型窗是高功率速调管中应用最多的输能窗,由输入输出矩形波导、方-圆波导过渡段、圆波导窗盒和介质窗片组成,窗内包含TE11传输模和TM11截止模[8-10],如图1图2所示。该窗具有结构工艺简单、工作频带宽、功率容量大等特点。由于谐振模式的存在,盒型窗的可利用带宽大大降低,通过调整圆波导直径、窗片厚度和圆波导段长度,无谐振模式的带宽可达10%~20%[1]

      图  1  盒型窗结构示意图[9]

      Figure 1.  Schematic diagram of pill-box window

      图  2  盒型窗电场分布图[10]

      Figure 2.  Electric field distribution of pill-box window

      20世纪90年代初期,日本和美国的直线加速器上S波段(2.856 GHz)盒型窗的频繁打火击穿现象引起了科研工作者的关注。日本高能加速器研究机构(KEK)和美国德州理工大学(TTU)都开展了输能窗射频击穿现象的研究,为各类波导型输能窗击穿研究奠定了重要的理论基础。KEK的Michizono等通过开展输能窗高功率测试实验、线下测量窗片表面电荷积聚量、分析失效窗片成份,对不同功率下有无镀膜的盒型窗的击穿机理进行了研究[11-13]图3为传输功率几十MW时的输能窗击穿图,可以看出,TM11法向电场较强的区域发生了非常明显的击穿,无氧铜壁和窗片表面区域皆有不同程度的损毁[12-13]图4为传输功率几百MW时的输能窗击穿图,放电位置异于低功率的情况,窗片表面出现了树枝状爬电轨迹,表面电荷积聚量较高[13]。他们认为:当传输功率较低时,窗片损毁是由二次电子倍增效应产生的大量电子频繁轰击窗片诱发窗片释气,释气层等离子体击穿导致窗片表面局部过热引起;当传输功率较高时,二次电子被氮化钛(TiN)膜抑制,窗片击穿源于表面电荷积聚以及窗片本身的材料缺陷。KEK支持用极化松弛理论来解释窗片最终损毁,认为F色心陷阱捕获大量电子导致局部过热致窗片损毁。

      图  3  日本KEK微波输能窗中低功率击穿图[12-13]

      Figure 3.  Low power breakdown diagrams of pill-box window of KEK

      图  4  日本KEK微波输能窗高功率击穿图[13]

      Figure 4.  High power breakdown diagrams of pill-box window of KEK

      TTU的Neuber等也在S波段行波谐振环实验系统上开展了盒型窗击穿实验研究[14-15],如图5所示。明显看出在TM11模强电场区域,电子与窗片互作用活跃,击穿损毁的风险较大。Neuber指出击穿是由方-圆波导边界向窗片表面TM11模式法向电场最强的区域发展,二次电子雪崩诱发窗片表面释气,最终在释气层形成贯穿性导电通道。我们通过对盒型窗内二次电子倍增效应的模拟[10],发现TM11模式电场较强的区域发生了明显的双面二次电子倍增效应,同样证实了法向电场对盒型窗射频击穿现象的影响[16],见图6所示。S波段盒型窗通常工作在50 MW以下,通过高温烘烤和老炼可以排出窗片上的气体分子、除去毛刺等工艺缺陷,对窗片蒸镀二次电子产额小于1的TiN膜层可抑制二次电子倍增效应,降低击穿风险。

      图  5  TTU未镀膜盒型窗沿面闪络图[14]

      Figure 5.  Flashover diagram of uncoated pill-box window of TTU

      图  6  S波段输能窗电子与未镀膜窗片表面和金属边界的碰撞量[10]

      Figure 6.  Amount of colliding electrons in the S-band HPM window and metal boundary

      当盒型窗的加工和装配不对称时,会引起鬼模振荡,炸裂窗片。为抑制盒型窗带内鬼模作用,可将窗框两端设计成喇叭形,在不影响驻波系数的情况下,将高次模式移出频带,即便加工出现轻微误差,也不会产生打火现象[17-18],如图7所示。

      图  7  抑制盒型窗带内鬼模设计方案

      Figure 7.  Design scheme of ghost mold suppression inside the window belt of the box

      在高频率、宽频带的应用场合,采用更大直径的陶瓷窗片(窗片直径大于窗盒直径)或者非对称的窗盒设计有助于增加陶瓷封接的可靠性,改善匹配特性,获得更宽带宽,如图8所示。这些结构在毫米波与太赫兹频段真空电子器件中获得了广泛的应用[19-21]

      图  8  宽频带盒型窗模型图

      Figure 8.  Model diagrams of broad band pill-box window

    • 与普通盒型窗相比,长盒型窗通过增加矩形波导-圆波导分界面与陶瓷窗片的距离,并适当增加窗片直径,使峰值电场降低50%,功率容量显著增加[22]。IECAS在150 MW速调管项目研究过程中,设计了S波段长盒型窗[23],并开展了高功率行波谐振环测试,如图9所示。在测试过程中,当传输功率上升至20~25 MW时,在该窗TE11模式极化方向的三相点附近多次出现因焊料流散而打火的情况,窗片在打火中击穿,如图10所示。我们对该窗进行模拟后发现,TE11模式极化方向与边界交界的三相点位置是二次电子倍增剧烈的区域,焊料不均或材料缺陷都会引起窗片击穿[24]。长盒型窗三相点附近击穿现象对大尺寸盒型窗的焊接工艺提出了更高要求。

      图  9  长盒型窗测试图

      Figure 9.  Long pill-box window test

      图  10  IECAS S波段长盒型窗窗片击穿损毁图

      Figure 10.  Breakdown damage diagrams of S-band long pill-box window of IECAS

    • 为了避免强电磁场击穿,高峰值功率速调管通常采用多窗分支结构,以降低单个输出窗的传输功率。此外,通过合理的结构设计,也能够达到降低场强(特别是三相点附近的电场强度)、提高输能窗功率容量的目的,下面将对几种新型输能窗进行介绍。

    • TE11模锥型窗是普通盒型窗的变形,通过锥形渐变波导来降低窗片表面电场强度,包含矩形波导(TE10模)-圆波导(TE11模)变换段、圆锥波导段以及窗盒段三个部分[25-26],如图11所示。窗片表面电场强度略低于行波窗,约为普通盒型窗的1/2,可在X波段300 ns脉宽下达到百MW的极限功率。但由于锥型窗内易激励TE02、TM11多个高次模式和TE221、TE131等鬼模,通过结构匹配,仍难以使TE11模式单模传输,因此该窗并未在高功率速调管获得普遍应用。

      图  11  TE11模式锥型输能窗模型图及其频谱[2]

      Figure 11.  Model diagram of TE11 mode tapered window and its spectrum

    • 为了降低窗片附近的电场强度,美国费米实验室的Kazakov设计了TE11模行波窗(TWC)[27]。通过增加普通盒型窗窗高,并在方圆波导变换位置加载电感膜片而使窗片处反射系数为0,实现窗片中行波传输,如图12所示。与普通盒型窗相比,行波窗窗片表面没有法向电场,切向电场可减小44%左右。TE11模行波窗在S波段的功率容量高达470 MW/2 μs,该值为行波谐振环极限功率,输能窗并未击穿[28];在X波段功率容量为80 MW/0.2 μs和40 MW/0.7 μs,打火系矩形波导边界处电场强度较高导致,窗片并未击穿[2]

      图  12  行波窗模型图

      Figure 12.  Model diagram of TWC window with TE11 mode

      俄罗斯科学院应用物理学研究所(IAP)在研究反射波对窗片表面二次电子倍增效应的影响时发现,虽然行波窗窗片附近电场强度较低,但由于窗盒内为驻波,窗片表面近似为波节点,驻波场的纵向梯度产生的有质动力会为窗片表面的二次电子提供回复力,加剧倍增(特别是窗片上游)[29]。我们近期研究了不同强度反射波对窗片表面二次电子增长率的影响[24],设置反射系数为Γ = 0.05和Γ =0.95,见图13图14所示。可以明显看出,在窗片表面有强反射波的时候,其二次电子增长速度明显大于窗片表面弱反射波的情况。因此,当二次电子发射系数较高时,TE11模行波窗仍有击穿的风险。

      图  13  传输TE11线极化模式圆波导窗二次电子倍增模拟结果,对应于驻波窗(ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f=11.4 GHz, Γ=0.05)

      Figure 13.  Simulation results of multipactor of TE11 linear polarization mode circular waveguide window (ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f=11.4 GHz, Γ=0.05, corresponding to standing wave window)

      图  14  传输TE11线极化模式圆波导窗二次电子倍增模拟结果,对应于行波窗(ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f =11.4 GHz, Γ=0.95)

      Figure 14.  Simulation results of multipactor of TE11 linear polarization mode circular waveguide window (ETE11=60 kV/cm, R=15 mm, f =11.4 GHz, Γ=0.95, corresponding to standing wave window)

    • 对于高频率、高峰值功率的速调管,窗片尺寸的大幅减小会使电场强度超过陶瓷窗片的击穿场强,为了解决这个问题SLAC设计了一种工作在TE01模式下的行波窗[30-31]。和相同截止波长的TE11模式输能窗相比,TE01模式输能窗的半径大,有利于提高功率容量;管壁电流只有角向分量,电磁波传输衰减低;三相点位置处电场为0,可避免击穿。通过对圆波导窗盒两侧加载匹配膜片,使窗片表面附近只有行波传输。TE01模行波窗的关键部件是矩形波导TE10模式向圆波导TE01模式转换的模式变换器。KEK设计了花瓣型模式变换器[2],BVERI的X波段高功率速调管也采用了类似的结构[7];SLAC设计了环绕型模式变换器,该结构占用空间较大[32];Kazakov将矩形波导H-T接头终端短路,耦合端接圆波导,通过膜片匹配,将TE10模式变换为TE01模式,使结构更加简单且紧凑[33],如图15所示。在X波段,当传输功率为75 MW时,TE01模行波窗窗片表面电场仅为3.4 MV/m。当圆波导直径进一步增大时,TE01模式在窗盒内变换为TE02模式,窗片表面峰值电场强度可进一步降低[2]。现今,这种窗多用于国内外X波段高峰值功率速调管。

      图  15  TE10-TE01模式变换器[2, 32-33]

      Figure 15.  TE10-TE01 mode converters

    • 基于Kazakov设计的TE02模式输能窗,韩国浦项加速器实验室研制了S波段双耦合口TE012模输能窗[34],在矩形波导窄边开双耦合口,耦合至圆波导窗盒,激励TE012模式,如图16所示。当单窗传输功率为80 MW时,窗片表面电场强度仅为1.688 MV/m,法向电场为47.3 kV/m,远低于40 MW时单个普通盒型窗窗片表面电场强度,可替代使用双盒型窗的方案。在高功率测试过程中,耦合口附近未见明显打火现象,但在传输功率约14.8 MW时,窗片表面处二次电子倍增效应诱发释气。窗片释气并未对传输信号造成严重影响,最终测得最高传输功率75 MW/4.5 μs。由于TE012模式电场强度较低,窗片在高功率微波传输过程中并无明显温升,不对窗片表面进行镀膜处理也满足了应用要求。

      图  16  TE012模式输能窗示意图

      Figure 16.  Model diagram of TE012 mode window

    • 由于圆电模输能窗都需要复杂的模式变换器,Kazakov提出通过将TE11和TM11或者TE12两种模式叠加,也可将三相点位置处的电场降低为0,如图17图18所示。KEK设计的C波段TE11+TM11复合模式输能窗功率容量达到300 MW/2 μs[35],设计的X波段TE11+TM11复合模式输能窗功率容量也能达到100 MW/0.5 μs[36-39]。虽然复合模式结构降低了三相点位置的电场强度,但是窗片中心位置电场强度高于圆电模输能窗,且存在较强的法向电场,当传输功率为100 MW时,窗片中心电场强度达到7.8 MV/m。由于具备结构简单的优势,TE11+TM11复合模式输能窗已用于KEK的X波段高峰值功率速调管。

      图  17  TE11+TM11复合模式输能窗模式分布图[2]

      Figure 17.  Electric field mode distribution of TE11+TM11 mixed mode window

      图  18  复合模式输能窗示意图

      Figure 18.  Model diagram of mixed mode window

    • 受窗片材料、结构设计、焊接技术、表面释气率和内部压强等一系列复杂因素的影响,高功率微波输能窗往往存在击穿失效的风险[1]。输出窗射频击穿是引起高功率速调管失效的一个重要因素。窗片击穿会导致微波源内部真空度尽失,阴极因曝露空气而中毒,微波源部件也会受到氧化作用侵蚀。这一系列影响将置微波源于瘫痪状态,短时间内难以复原,部件更新成本和加工维修费用甚至超过整管造价。现今,经过国内外科研工作者的不断探索,发展出了几种较为典型的输能窗击穿抑制技术,文献[40]系统的阐述了这些击穿抑制技术的原理,本文在此基础上介绍几类击穿抑制技术的研究进展。

    • 由于Al2O3陶瓷的二次电子发射系数较高,通常将二次电子发射系数较低的金属或化合物薄膜涂覆在窗片表面,降低其较高的二次电子发射系数,达到抑制二次电子倍增的目的。较为常用的膜层有Ti,TiN,TiO2,Cr,Cr2O3以及MgO等[41-44],其中TiN的二次电子发射系数较低,表面导热性较好,应用最为广泛。相比于传统物理气相沉积(PVD)的方法,原子层沉积(ALD)能够产生厚度更小、更为均匀的镀层。TiN膜在应用中普遍存在一个问题:TiN膜在暴露于空气并氧化后,会包含大量的TiO2成分,导致表面二次电子发射率出现急剧上升,这就成为TiN膜的一个弱点。

      通过对Al2O3陶瓷进行掺杂改性处理,也可以降低其二次电子产额。南京工业大学研究了铬的掺杂含量对Al2O3陶瓷材料烧结性能和真空绝缘性能的影响[45]。结果表明:Cr3+掺杂能促进陶瓷的烧结,降低陶瓷的烧结温度,使铬掺杂氧化铝陶瓷的晶粒更加细小均匀,显著降低95%氧化铝陶瓷的气孔率和二次电子发射系数。掺杂量为0.5%的Cr2O3的陶瓷真空沿面闪络电压高达6.5 MV/m。值得注意的是,过量掺杂的Cr2O3在溶入Al2O3晶格的同时也会造成晶格畸变,造成很多缺陷和陷阱。陷阱电荷量越大,表面电荷密度也就越大,陶瓷的真空沿面闪络电压也就越低。

      近期,西北核技术研究院研究发现,对Al2O3陶瓷表面进行分子自组装处理后,击穿电压可提高一倍[46]。由于分子自组装处理后的陶瓷表面会覆盖一层由非极性烃链组成的分子膜,不易极化,表面电场增强的程度降低并且电子发射强度降低。当入射电子撞击覆盖分子膜的介质表面时,由于有机材料的SEY通常比Al2O3小得多,因此分子膜会减少二次电子发射,延迟闪络,有利于提高击穿电压。然而,高峰值功率速调管使用的输能窗在使用前要经过800~1000 ℃的高温烘烤,有机材料分子膜难以耐受这样高的温度。

    • 在二次电子倍增发展阶段,设置槽宽小于电子在微波半周期内的飞行距离,则初级电子在碰撞底槽之前能以近乎法向的角度碰撞侧壁,此时电场尚未反向,碰壁产生的二次电子受到电场的回复力作用,将瞬间再次碰壁,由于渡越时间较短,二次电子能量小于能量第一交叉点,即槽纹通过周期性的改变电子的轨迹来抑制倍增。常用的周期表面有矩形槽纹、三角槽纹和半圆弧槽纹等[47-50],这类跑道型槽纹在使用时均需满足一个条件,即射频电场需垂直于槽纹,二次电子才能被有效抑制。当电场极化方向有一定偏差时,会影响槽纹对二次电子的抑制效果。针对这个局限性,西安交通大学的常超提出采用三维波浪表面(周期性正/余弦曲面等),见图19所示。经实验验证,该结构对任意电磁模式都有较好的抑制效果,显著提高了输能窗的功率容量[51-52]

      图  19  三维周期性波状表面[51]

      Figure 19.  Morphology of the 3-D periodic wavy surface

      BVERI研究了经过研磨加工工艺(其原理类似于三维周期表面)处理后,氧化铝陶瓷表面状态对其真空耐击穿性能的影响[53],见图20所示。研究表明,当陶瓷表面存在小凹坑时,二次电子在迁移过程中,有一部分二次电子与凹坑壁碰撞,被凹坑壁吸收,可以提高其沿面闪络电压;若陶瓷表面存在较多凸起部分时,这些小凸起就会造成局部电场强度增大,引起尖端放电,降低沿面闪络电压。由于小凸起的大小、多少在未加工陶瓷表面是随机分布的,所以未加工95% Al2O3陶瓷绝缘子沿面闪络电压值波动范围较大。而研磨加工后陶瓷表面主要存在凹坑,凸起的部分极少,所以为了保证Al2O3陶瓷的真空耐压性能的稳定,应将其研磨加工后使用。

      图  20  加工前后 95% Al2O3陶瓷表面形貌轮廓及研磨前后 95% Al2O3陶瓷表面显微形貌

      Figure 20.  Surface topography of the insulator before and after grinding and SEN images of the insulator’s surface before and after grinding

    • 为了研究射频场作用下金属-介质-真空三相点附近二次电子倍增效应,密歇根大学(UM)通过计算电场增强因子、跟踪电子轨迹,获得了激发二次电子倍增效应的夹角范围[54],如图21所示。在夹角θ>0°的三相点附近,只有初始能量足够高的种子电子才能激发二次电子发射,绝大多数低能量的场致电子难以激发二次电子;当夹角θ>15°时,不发生二次电子倍增效应。该研究为抑制三相点区域射频击穿技术提供了研究思路。

      图  21  三相点[54]

      Figure 21.  Triple point

    • 垂直窗片表面的直流电场通过延长或缩短电子的渡越时间来抑制击穿。由真空指向窗片表面的直流电场抵消了窗片表面正电荷累积的静电场的作用,电子可以获得极长的渡越时间,有利于延长闪络时延,使窗片表面的局部碰撞效应得以缓解(电子在长程运动的过程中通过碰撞二次发射系数较低的金属边界而损失掉),特别对有限空间内的二次电子倍增效应有一定的抑制作用。由窗片表面指向真空区域的直流电场缩短了电子的渡越时间,在直流场较强的情况下,电子的渡越时间较短,电子返回窗片表面时的碰撞能量小于能量第一交叉点,二次电子也可以得到有效抑制[55]。IAP研究发现击穿阈值电压对负向(真空指向窗片表面)直流电场极为敏感,负向电场越强,击穿电压的阈值越高;而相反方向的直流电场对击穿电压的影响不明显[56],见图22所示。

      图  22  石英窗二次电子倍增阈值与静电场振幅的关系[56]

      Figure 22.  Dependence of the multipactor threshold on the amplitude of the electrostatic field for quartz disks

      平行窗片表面的直流电场主要通过清除窗片表面的电子来降低电子密度、抑制击穿。西安交通大学研究发现,将切向直流电场应用到微波窗口尺寸有限的窗片表面时,二次电子的数量随切向单向直流电场强度的增大而减小[57]图23为外置单向直流偏置电场的二次电子倍增原理图。当直流电场为双向时,电场方向对击穿阈值有很大影响。当电场从中心指向微波窗口边缘时,更易诱发击穿;当电场指向微波窗口中心时,放电过程从窗口边缘发展到窗口中心,因为窗口边缘的电子密度较小,导致气体压力较小,而窗片表面上方的低压使得等离子体的形成更加困难,窗口击穿得到抑制。

      图  23  外置单向直流偏置电场的二次电子倍增原理图[57]

      Figure 23.  Schematic of the multipactor with an external unidirectional DC bias electric field

    • UM在研究直流磁场对窗片表面二次电子倍增效应的影响时,发现与射频电场垂直且与窗片表面平行的直流磁场会明显降低倍增敏感区域的上边界,但对下边界影响不大[58]。这种影响是通过改变二次电子的轨迹,使电子在窗片表面做回旋运动实现的。常超利用电子回旋运动的特点,将谐振磁场应用到切向电场较强的输能窗,当直流磁场强度接近谐振值时,电子可以在回旋运动中获得最高能量[59]。在谐振磁场的作用下,电子在每个回旋加速周期结束时碰撞窗片表面,绝大多数电子的碰撞能量能够超过能量第二交叉点,二次电子便可以被抑制。他在研究中发现,当直流磁场的强度稍高于谐振值时,二次电子的抑制效果更佳。我们模拟了过谐振磁场对窗片表面二次电子的抑制效果,采用过谐振的直流磁场可以在每个碰撞周期末尾对电子进行轨迹补偿,让电子以较低能量碰壁损失[60],如图24所示。过谐振的直流磁场应用到电磁场非均匀分布的窗片表面,可以保证射频场幅度比较低的区域的二次电子也能被有效抑制。

      图  24  直流磁场作用下平均电子能量Eav与电子数Ne的演化,Ey=0.8 MV/m

      Figure 24.  Evolution of the average electron energy Eav and electron number Ne, Ey=0.8 MV/m

    • 在航天器研究领域,多载波信号在一定程度上可以抑制双面金属微放电[61-63]。密歇根州立大学(MSU)的Peng等将调制信号应用到输能窗,研究了调制信号的幅度、频率、相位等参数对倍增敏感区域的影响[64-65]。结果表明,倍增敏感曲线受调制信号的幅度和相位差影响较大,但对调制信号的频差并不敏感。对于给定的调幅参数,当两个载波的相位差趋于π时,倍增敏感曲线的上下限有最大值;当相位差趋于2π时,倍增敏感曲线的上下限有最小值。此外,当多个高频正弦信号叠加形成高斯型横向电场时,通过减小高斯电场的半峰宽度,也可将窗片表面的电荷密度降低一个数量级[66]。对于固定的平均输入功率,较小的半峰宽度会增加峰值电场的强度并缩短电子的渡越时间,导致电子加速过程和二次电子倍增过程存在较大时间延迟,二次电子在碰撞边界时其能量要么低于能量第一交叉点,要么高于第二交叉点,导致放电强度被削弱。虽然通过改变信号波形抑制窗片表面二次电子倍增的方法从理论上获得了证明,但该方法能否直接应用于大功率微波输能窗,仍需后续实验论证。

    • 目前,从输能窗设计的角度来看,金属-介质-真空三相点区域始终是易引起种子电子发射和击穿打火的薄弱之处。使用TE0n或TE0np谐振模式等圆电模可以有效降低三相点区域电场强度,而且圆电模不包含垂直于窗片表面的法向电场,不易激励窗片表面二次电子倍增,为输能窗传输模式的首选。然而,从矩形波导TE10模向圆电模转换的模式变换器往往结构复杂,当窗片未击穿的时候,模式变换器也会因为结构的不连续而产生金属的击穿打火现象。因此,研制圆电模输能窗,设计结构简单、转换效率高的TE10-TE0n/TE0np模式变换器是输能窗设计的一个发展趋势。

      从输能窗材料研究的角度来看,TiN和Cr2O3是高功率输能窗上被普遍采用的镀膜材料,但在暴露大气后,都会不同程度地形成复杂氧化物,影响二次电子的抑制效果。电真空领域多年研究经验表明,输能窗的老炼技巧对形成性能稳定的膜层尤为关键。在窗片材料和膜层性能皆达到理想条件下,高真空环境中,输能窗的极限击穿电场约为8 MV/m。受各种因素制约,实际输能窗的耐受电场往往比该值低得多。因此,探索新型窗片材料和镀膜材料,突破极限击穿电场,是输能窗的重要发展方向。

      在诸多击穿抑制技术中,外置直流电场和磁场都会不同程度地增加微波系统的造价和重量,且主要用于窗片表面只有切向电场的场合,在波导型输能窗上使用时应注意复杂电磁模式的影响。通过改变信号波形来抑制输能窗击穿的方法虽然简单,但在大功率微波输能窗上能否实现,其效果是否受器件结构和电磁模式分布的限制,仍需后续论证。相比较而言,窗片表面研磨和三维周期表面在结构紧凑的波导型输能窗上更具普适性。

参考文献 (66)

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