在横磁电磁场模式下抑制介质表面二次电子倍增的方法

摘要

本发明公开一种在横磁电磁场模式下抑制介质表面二次电子倍增的方法，所述方法包括：根据二次电子发射产额曲线的第一交叉点，确定磁场的回旋频率，二次电子发射产额曲线由介质表面材料确定；根据磁场的回旋频率，在介质表面施加磁场，介质表面为周期性介质表面，磁场满足：磁场的磁力线平行；磁场的回旋频率在预设范围内均匀；磁场的方向垂直于横磁电磁场模式的法向电场方向、平行于横磁电磁场模式的切向电场方向以及平行于介质表面。本发明的方法通过采用周期性介质表面，并在周期性介质表面施加磁场的手段，使得在不同电场条件下，本发明的方法都能够对介质表面二次电子的倍增起到一定的抑制效果，并且随着电场场强的提高，抑制效果更好。

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，具体涉及一种在横磁电磁场 模式下抑制介质表面二次电子倍增的方法。

背景技术

高功率微波(High Power Microwave，HPM)是指峰值功率超过 100MW，频率在1GHz～300GHz范围内的电磁辐射。HPM在科研、 民用和国防领域具有非常广阔的应用前景。随着高功率微波器件的 峰值功率和脉冲宽度的提高，特别是大功率、小型化微波装置的研 制，位于真空中的介质表面(简称真空介质表面)击穿已经成为限 制高功率微波传输与发射系统功率提高的主要瓶颈。

真空介质表面击穿的过程是：在真空介质表面，由于二次电子 倍增，触发了气体层中的等离子体电离雪崩放电，从而击穿真空介 质表面。提高真空介质表面的抗击穿性能的一种重要手段是对介质 表面进行处理，国内外研究者如日本KEK学者通过氮化钛薄膜有效 降低了二次电子发射产额，改善了绝缘体材料的表面性能。但是， 现有的对介质表面进行处理的技术存在的问题是：抑制介质表面二 次电子倍增的效果较低(即提高介质表面微波击穿阈值的幅度不 大)、可靠性不高或介质表面寿命短。

通过将真空介质表面制作为周期性表面可以抑制平行于介质表 面的微波电场的切向电场分量引发的二次电子倍增，有效提高介质 表面微波击穿阈值。但是，周期性表面对垂直于介质表面的微波电 场的法向电场分量导致的二次电子倍增没有抑制、反而有增强作用。

通过谐振磁场可以抑制介质表面的二次电子倍增，有效提高介 质表面微波击穿阈值。但是，对于同时具有微波电场的切向电场分 量和法向电场分量的电磁波情况，例如横磁电磁场模式(TM模式)， 谐振磁场难以同时垂直于两个电场分量，难以抑制二次电子倍增。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在横磁电磁场模式下，现有的抑 制介质表面二次电子倍增的技术无法抑制二次电子倍增的问题。

为此目的，本发明提出一种在横磁电磁场模式下抑制介质表面 二次电子倍增的方法，所述方法包括：

根据二次电子发射产额曲线的第一交叉点，确定磁场的回旋频 率，所述二次电子发射产额曲线由介质表面材料确定；

根据所述磁场的回旋频率，在介质表面施加磁场，所述介质表 面为周期性介质表面，所述磁场满足：磁场的磁力线平行；磁场的 回旋频率在预设范围内均匀；磁场的方向垂直于横磁电磁场模式的 法向电场方向、平行于横磁电磁场模式的切向电场方向以及平行于 所述介质表面。

可选的，所述周期性介质表面的周期尺寸根据微波波长确定。

可选的，所述周期性介质表面的周期尺寸小于微波波长的1/30。

可选的，所述周期性介质表面的剖面的形状为三角形、梯形或 圆弧形。

可选的，所述磁场的回旋频率Ω满足Ω＝(1～2)ω，其中，ω为微 波角频率。

相比于现有技术，本发明的在横磁电磁场模式下抑制介质表面 二次电子倍增的方法通过采用周期性介质表面，并在周期性介质表 面施加磁场的手段，使得在不同电场条件下，本发明的方法都能够 对介质表面二次电子的倍增起到一定的抑制效果，并且随着电场场 强的提高，本发明的方法对介质表面二次电子的倍增的抑制效果更 好。

附图说明

图1示出了一种在横磁电磁场模式下抑制介质表面二次电子倍 增的方法流程图；

图2示出了在均匀介质表面加载TM01模式的圆柱波导的剖面；

图3示出了在均匀介质表面加载TM01模式的圆柱波导的截面；

图4(a)～(d)示出了平面介质表面与周期性介质表面在不同电场 条件下倍增的二次电子电荷密度随归一化时间t/T的变化结果对比；

图5(a)～(d)示出了施加不同切向磁场的平面介质表面在不同电 场条件下倍增的二次电子电荷密度随归一化时间t/T的变化结果对 比；

图6(a)～(d)示出了施加不同磁场的平面介质表面与周期性介质 表面在不同电场条件下倍增的二次电子电荷密度随归一化时间t/T 的变化结果对比。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将 结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种在横磁电磁场模式下抑制介质 表面二次电子倍增的方法，所述方法可包括以下步骤：

S1、根据二次电子发射产额曲线的第一交叉点，确定磁场的回 旋频率Ω，磁场的回旋频率Ω满足Ω＝(1～2)ω，即Ω为ω的1至2 倍，其中，ω为微波角频率，二次电子发射产额曲线由介质表面材 料确定；

S2、根据磁场的回旋频率，在介质表面施加磁场，其中，介质 表面为周期性介质表面，磁场满足以下三个条件：

磁场的磁力线平行；

磁场的回旋频率在预设范围内均匀；

磁场的方向垂直于横磁电磁场模式的法向电场方向(即微波电 场的法向电场分量E_n的方向)、平行于横磁电磁场模式的切向电场 方向(即微波电场的切向电场分量E_t的方向)以及平行于介质表面。

在具体应用中，周期性介质表面的周期尺寸根据微波波长确定， 可使周期性介质表面的周期尺寸小于微波波长的1/30。周期性表面 能改变电子的轨迹、渡越时间和能量。

如图2所示的在均匀介质表面加载TM01模式的圆柱波导的剖 面，在圆柱的直径范围内，施加的磁场均匀，圆柱的直径>35cm， 本实施例中，周期性介质表面的剖面的形状为三角形。施加在介质 表面的磁场结合微波电场E_rf，在E_rf×B作用下共同加速电子，并控 制电子的渡越时间τ，使得电子的渡越时间τ满足τ<T/2，T为微波 的周期，B为磁场的磁感应强度，由于磁场的回旋频率Ω满足 Ω＝(1～2)ω，所以B＝(0.036～0.072)f，f是微波的频率，不失一般性， f＝10GHz，则B＝0.036～0.072(Tesla)。磁场回旋频率Ω决定了电子 的渡越时间τ，电子的渡越时间τ基本不随微波电场强度变化。不失 一般性，t＝0时刻，当三角形的第一面发射电子时，法向电场力F_n方向向上(与图2中微波电场的法向电场分量E_n的方向相反，图2 中虚线z表示垂直于纸面的轴)、切向电场力F_t方向向左(与图2中 微波电场的切向电场分量E_t的方向相反)。经过电子的渡越时间τ 后，当发射电子碰撞相邻三角形的第二面时，τ<T/2，法向电场力F_n方向向上，切向电场力F_t方向向左，F_n和F_t均提供回复力，因此在 相邻三角形第二面新产生的二次电子e受到回复力，被快速拉回相 邻三角形的第二面，使二次电子e的碰撞能量小于二次电子发射产 额曲线的第一交叉点，实现二次电子发射产额小于1，这段时间持续 了t∈(T/2-τ，T/2)。之后t>T/2，法向电场力F_n方向向下，切向电场 力F_t方向向右，经过电子的渡越时间τ<T/2，三角形第二面的发射电 子碰撞相邻三角形的第一面，在时间t∈(T/2+τ，T)，法向电场力F_n方向保持向下，切向电场力F_t方向保持向右，F_t提供回复力，因此 在相邻三角形第一面新产生的二次电子受到回复力，被快速拉回相 邻三角形的第一面，使二次电子的碰撞能量小于二次电子发射产额 曲线的第一交叉点，实现二次电子发射产额小于1。经过上述过程， 实现抑制真空介质表面的二次电子倍增，从而提高了介质表面微波 击穿阈值。

在横磁(TM)电磁场模式下，通过在介质表面施加磁场抑制抑 制介质表面二次电子倍增，显著不同于仅存在切向电场的微波电场E_rf的介质表面二次电子倍增。因为在仅存在切向电场的微波电场E_rf作用 下，电子谐振加速获得能量ε_e，实现ε_e>ε₂，ε₂为第二交叉点，且电子 的渡越时间τ～T，T为微波周期；对于存在法向电场、且切向电场和磁 场方向平行的微波电场E_rf情况，是通过改变电子的渡越时间τ，使τ满 足τ<T/2，这样，当电子碰撞介质表面时，二次电子受到强回复力， 被快速拉回介质表面，二次电子的碰撞能量ε_e小于第一交叉点ε₁，即 ε_e<ε₁，实现抑制二次电子倍增。

图3示出了在均匀介质表面加载TM01模式的圆柱波导的截面， 施加的磁场对二次电子倍增的影响可通过3-D PIC软件来模拟。二 次发射电子角度分布为余弦分布，其幅度被归一化。电子发射能量 满足高斯分布，峰值能量10eV，半高宽10eV。模拟中参数为频率 f＝11.42GHz，电子垂直于介质表面入射下二次电子发射产额曲线峰 值为δ_m0＝2.5，电子峰值能量ε_m＝400eV，表面粗糙度k_s＝1。电子能 量通过e²E_rf0²/mω²归一化。横坐标为计算时间对微波周期(0.08ns) 的归一化，纵坐标为介质表面累积的电荷密度。

图4(a)～(d)示出了平面介质表面与周期性介质表面在不同电场 条件下倍增的二次电子电荷密度随归一化时间t/T的变化结果对比， 图中“——”代表平面介质表面，“----”代表周期性介质表面。

图4(a)的法向电场E_n＝0.65MV/m，切向电场E_t＝1.10MV/m；图 4(b)的法向电场E_n＝1.94MV/m，切向电场E_t＝3.35MV/m；图4(c)的法 向电场E_n＝3.20MV/m，切向电场E_t＝5.57MV/m；图4(d)的法向电场 E_n＝5.76MV/m，切向电场E_t＝10.0MV/m。

可以看出，通过周期性介质表面可以有效地降低圆柱波导腔体 内的二次电子电荷密度(图4(c)的E_n＝3.20MV/m的条件除外)，这 说明周期性介质表面技术可以有效地抑制二次电子倍增。

图5(a)～(d)示出了施加不同磁场的平面介质表面在不同电场条 件下倍增的二次电子电荷密度随归一化时间t/T的变化结果对比。图 中“——”代表平面介质表面，“----”代表平面介质表面施加磁场 B_t＝0.1Tesla；“……”代表平面介质表面施加磁场B_t＝0.3Tesla；“--.--” 代表平面介质表面施加磁场B_t＝0.5Tesla。

图5(a)的法向电场E_n＝0.65MV/m，切向电场E_t＝1.10MV/m；图 5(b)的法向电场E_n＝1.94MV/m，切向电场E_t＝3.35MV/m；图5(c)的法 向电场E_n＝3.20MV/m，切向电场E_t＝5.57MV/m；图5(d)的法向电场 E_n＝5.76MV/m，切向电场E_t＝10.0MV/m。

施加磁场对二次电子倍增的抑制是有一定效果的，而且该效果 主要体现在较小的电场条件下(即图5(b)的E_n＝1.94MV/m条件)。 当电场强度增强时，施加磁场所得到的抑制效果并不是很明显。

图6(a)～(d)示出了施加不同磁场的平面介质表面与周期性介质 表面在不同电场条件下倍增的二次电子电荷密度随归一化时间t/T 的变化结果对比。图中“——”代表平面介质表面，“----”代表周期性 介质表面施加磁场B_t＝0.1Tesla，“……”代表周期性介质表面施加磁 场B_t＝0.3Tesla，“--.--”代表周期性介质表面施加磁场B_t＝0.5Tesla。

图6(a)的法向电场E_n＝0.65MV/m，切向电场E_t＝1.10MV/m；图 6(b)的法向电场E_n＝1.94MV/m，切向电场E_t＝3.35MV/m；图6(c)的法 向电场E_n＝3.20MV/m，切向电场E_t＝5.57MV/m；图6(d)的法向电场 E_n＝5.76MV/m，切向电场E_t＝10.0MV/m。

通过图6(a)～(d)可以很明显地看出，同时采用周期性介质表面和 施加磁场方法，在各个电场条件下都能够对二次电子的倍增起到一 定的抑制效果。而且，很明显，随着场强的提高，该技术对二次电 子的倍增的抑制效果更好。

通过对比图5(d)和图6(d)，可以看出，在高电场场强条件下， 单独依靠施加磁场来抑制二次电子倍增的效果是不理想的，而加上 了周期性介质表面，则能够很好地提高抑制效果。

通过对比图5(b)和图6(b)，可以看到，在这个电场场强条件下， 如果只是施加磁场来抑制二次电子的倍增，磁场的确能够起到一定 的抑制效果，但是在增加了周期性介质表面之后，相同条件下，电 子的数密度大大下降(同比减少约20-30dB)，而且，增大磁场也有 助于提升抑制的效果。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员 可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型， 这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。