测试腔、HPM传输波导击穿实验装置及研究击穿问题的方法

摘要

鉴于对HPM源中的强电磁场真空击穿问题研究的必要性和击穿机理研究的困难，本发明提供了一种测试腔、HPM传输波导击穿实验装置以及利用该装置研究击穿问题的方法。其中测试腔包括两个相同的反射腔；反射腔的内腔为圆筒状，反射腔的半径r

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波传输技术领域，涉及一种高功率微波传输波导击穿实验装置及其测试腔以及利用该装置研究击穿问题的方法。

背景技术

随着高功率微波(High Power Microwave，HPM)源的输出功率逐步提高，HPM源内部及传输波导中易发生强电磁场真空击穿，导致 HPM源输出功率下降、脉宽缩短，这限制了HPM源的功率容量，大幅降低了HPM源的可靠性和寿命，成为HPM技术进步的瓶颈。因此，开展对HPM源及传输波导中强电磁场真空击穿机理及抑制方法的研究十分迫切。

强电磁场真空击穿是指真空中由于种子电子诱导而在强电磁场作用下发展起来的一种等离子体放电现象，涵盖了种子电子产生、电子与强电磁场作用获取能量、电子与材料作用产生等离子体以及等离子体与微波作用的全过程。强电磁场真空击穿广泛存在于高能加速器和HPM源中，击穿导致的结构破坏和产生的等离子体极大地破坏了器件的工作稳定性，影响了器件的寿命。

目前，高能加速器中的强电磁场真空击穿问题已经得到了较为深入的研究，从上世纪90年代起，HPM源中的强电磁场真空击穿问题逐渐得到关注，关于其研究主要借鉴了高能加速器中的相关理论。但是HPM源微波脉冲短，电磁场功率密度高，高频结构是低Q腔，有强引导磁场，与高能加速器差异巨大，高能加速器中强电磁场真空击穿的相关理论无法完全适用于HPM源，因此开展针对HPM源中的强电磁场真空击穿研究十分必要。

由于HPM源高频结构内部环境复杂，例如相对论返波管 (Relativistic Backward Wave Oscillator，简称RBWO)中存在轴向强引导磁场、二极管发出的强流相对论电子束等，且各高频结构的场分布不同，开展研究困难。

发明内容

鉴于对HPM源中的强电磁场真空击穿问题研究的必要性和击穿机理研究的困难，本发明提供了一种测试腔、HPM传输波导击穿实验装置以及利用该装置研究击穿问题的方法。本发明选择在传输波导段开展击穿研究，一方面可获得不同材料、不同表面态的击穿阈值，为 HPM源内部和传输波导的击穿阈值提供参考，同时材料和表面态的击穿阈值规律研究可为提高击穿阈值提供支撑；另一方面可研究击穿中的电子发射和轰击过程，分析击穿基本机理。

本发明的技术解决方案是：

用于HPM传输波导击穿实验的测试腔，其特殊之处在于：所述测试腔为双微波腔，包括两个相同的反射腔；所述反射腔的内腔为圆筒状结构，反射腔的半径r_a和宽度l_a满足当测试腔内注入TM₀₁模式的电磁波时，反射腔内激励起的电磁波为TM₀₂₀模式；沿反射腔轴向方向，反射腔内电场分布非对称，反射腔两侧场强幅值差至少为300kV/cm；

两个反射腔通过第一直波导相连，两个反射腔之间的距离l_c为>

两个反射腔的自由端分别连接有长度均大于50mm的第二直波导和第三直波导；

所述第一直波导、第二直波导和第三直波导均为圆波导。

进一步地，上述反射腔的半径r_a为30.5-31.7mm，宽度l_a小于等于10mm。

进一步地，上述第二直波导和第三直波导的长度均为100mm。

进一步地，上述第一直波导、第二直波导和第三直波导的内径相等。

本发明同时提供了一种HPM传输波导击穿实验装置，包括依次相连的微波源、第四直波导、第一耦合器、第五直波导、测试腔、第二耦合器；第四直波导和第五直波导均为圆波导；

其特殊之处在于：

所述第四直波导的长度至少为1m；

所述第五直波导的长度为0.8m-3.3m；

所述测试腔采用上述测试腔。

进一步地，上述第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导和第五直波导的内径相等。

进一步地，上述实验装置还包括依次连接在第二耦合器输出端的模式转换器和馈源喇叭。

本发明还提供了一种利用上述HPM传输波导击穿实验装置研究击穿问题的方法，包括以下步骤：

1)材料阈值获取：

1.1)选取不同场强的n个测试腔，按照场强从小到大的顺序将测试腔依次编号，记为S1、S2、S3、……、Sn；所述n个测试腔的整腔材料均相同；

1.2)利用模拟软件获取测试腔S1、S2、S3、……、Sn的发射面的最高场强；

1.3)获取电子发射阈值：

1.3.1)将测试腔S1安装至击穿实验装置中；

1.3.2)开展击穿实验；

1.3.3)观察测试腔S1发射面和轰击面的痕迹，若有痕迹，则测试腔S1发射面的最高场强即为发生大量电子发射的阈值；若无痕迹，执行步骤1.3.4)；

1.3.4)用测试腔S2替换测试腔S1，返回步骤1.3.2)；

1.3.5)重复步骤1.3.1)-1.3.4)直至获取发生大量电子发射的阈值；

1.4)获取击穿阈值：

1.4.1)利用将一段直波导替换击穿实验装置的测试腔后，开展击穿实验，获得辐射场波形后将所述直波导移除；

1.4.2)将测试腔S1安装至击穿实验装置中；

1.4.3)开展击穿实验，获取辐射场波形；

1.4.4)将步骤1.4.3)获得的辐射场波形与步骤1.4.1)获得的辐射场波形进行对比，若脉宽有缩短，则击穿阈值为测试腔S1发射面的最高场强；若脉宽无缩短，则执行步骤1.4.5)；

1.4.5)用测试腔S2替换测试腔S1,返回步骤1.4.3)；

1.4.6)重复步骤1.4.3)-1.4.5)直至获取击穿阈值；

上述步骤中测试腔外加同一轴向磁场。

进一步地，上述方法还包括步骤：

2)材料优选方法：

2.1)依次将发射面材料相同、轰击面材料不同的m个测试腔安装至击穿实验装置中分别进行击穿实验，获取这m个测试腔分别对应的辐射场波形，辐射场波形的脉宽越窄则其对应的测试腔的轰击面材料的耐轰击性能越差，辐射场波形的脉宽越宽则其对应的测试腔的轰击面材料的耐轰击性能越好；

2.2)依次将发射面材料不同、轰击面材料相同的x个测试腔安装至击穿实验装置中分别进行击穿实验，获取这x个测试腔分别对应的辐射场波形，辐射场波形的脉宽越窄则其对应的测试腔的发射面材料的抑制电子发射性能越差，辐射场波形的脉宽越宽则其对应的测试腔的发射面材料的抑制电子发射性能越好；

上述步骤2.1)和2.2)中，若击穿实验后某几个测试腔对应的辐射场波形的脉宽相同，不能区分材料性能时，可增大测试腔外加轴向磁场后，再次进行击穿实验，获取辐射场波形后重新进行比较。

进一步地，上述步骤2)中发射面和轰击面的材料均选用金属材料。

本发明的有益效果：

1、本发明的测试腔为具有两个反射腔的双微波腔，微波在两个反射腔内来回反射，能形成谐振结构获得强场；反射腔的半径r_a和宽度l_a满足使反射腔内激励起的电磁波为TM₀₂₀模式；通过调整反射腔的半径r_a可获得不同材料、不同表面态的电子发射阈值和击穿阈值，为高功率微波源内部和传输波导的击穿阈值提供参考；由于反射腔两侧场强幅值差较大，所以反射腔内存在发射面和轰击面，能够用于研究材料的发射性能和耐轰击性能；通过调整反射腔的宽度l_a可使反射腔内电子从发射面运动到轰击面的加速距离不同，便于分析击穿机理。

2、双微波腔的第二直波导段和第三直波导段的长度大于50mm，使反射腔内的高场强有足够长的距离降低，使得双微波腔的第二、三直波导段与实验装置的传输波导段的连接处场强较低，有效避免了击穿风险。

3、第四直波导的长度至少为1m，有效排除了微波源的收集极电子和超导磁体的干扰；第五直波导的长度为0.8m-3.3m，能够避免第一耦合器的反射通路cr1中欲测量的反射信号淹没在微波源产生的微波信号中，从时间上将反射信号和微波源产生的微波信号区分开。

4、双微波腔的波导段(第四、五直波导)直径与整个装置中的传输波导段(第一、二直波导)直径一致，避免引入更多的连接结构，便于更换，同时也避免了连接结构发生击穿的风险。

附图说明

图1是本发明的HPM传输波导击穿实验装置的结构示意图；

图2是本发明的双微波腔的结构示意图；

图3是图2所示双微波腔内电场分布示意图；

图4是双微波腔S7表面场分布图；

图5是双微波腔S7的S参数，图中S11为发射系数，S21为传输系数；

图6是双微波腔S3实验后的痕迹；其中图(a)为发射侧；图(b) 为轰击侧；

图7是双微波腔S4实验后的痕迹；其中图(a)为发射侧；图(b) 为轰击侧；

图8是采用双微波腔S3和S4时，耦合器1cr1通路反射波形的对比图；

图9是采用双微波腔S3和S6时，耦合器1cr1通路反射波形的对比图；

图10是不同场强双微波腔S4的辐射场波形对比；

图11是不同场强双微波腔S6的辐射场波形对比；

图12是不同场强双微波腔S7的辐射场波形对比；

图13是不同强度的外加轴向磁场对双微波腔S7的辐射场波形的影响；

图14是材料的抑制电子发射性能和耐电子轰击性能比较；图(a) 是外加轴向磁场为0.75T时的性能比较；图(b)是外加轴向磁场为 1.0T时的性能比较；图(c)是外加轴向磁场为1.5T时的性能比较；

图15是直波导与不同材料的腔S7辐射场波形比较；

图16是不同宽度的不锈钢腔的辐射场波形；

图17是发射面为ss304、轰击面为TC18的双微波腔微观痕迹分析图；图(a)为发射面微观痕迹；图(b)为轰击面微观痕迹；图(c) 为发射面痕迹成分分析；图(d)为轰击面痕迹成分分析；

图18是本发明研究击穿问题的实验流程图；图(a)为阈值获取实验流程图；图(b)为材料优选实验流程图。

图中标号：1-微波源；11-收集极；2-第四直波导；3-第一耦合器；4-第五直波导；5-测试腔；51-反射腔；52-第一直波导；53-第二直波导；54-第三直波导；6-第二耦合器；7-模式转换器；8-馈源喇叭；9-磁体线圈。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的HPM传输波导击穿实验装置包括依次相连的微波源1、第四直波导2、第一耦合器3、第五直波导4、测试腔5、第二耦合器6；第四直波导2和第五直波导4均为圆波导；测试腔5外设置有用于提供外加轴向磁场的磁场发生装置，本实施例中采用的是磁体线圈9；

第四直波导2的长度至少为1m，以排除微波源1的收集极11的电子和超导磁体对测试腔中击穿过程以及两个耦合器测量过程的干扰；

由于击穿导致的反射幅度较小，且两个耦合器的隔离度不是很好，在第一耦合器3的反射通路cr1中欲测量的反射信号可能会淹没在微波源1产生的微波信号中；为了避免欲测量的反射信号出现在微波信号(脉宽约为25ns)的上升沿(约6ns)和下降沿(约6ns)中而被淹没，设置在第一耦合器3和测试腔5之间的第五直波导4的长度应大于小于即在0.8m～3.3m之间，以从时间上把欲测量的反射信号和微波源产生的微波信号区分开；前述v_g为微波的传播速度，v_g＝0.88c＝26.4cm/ns；本实施例中第五直波导4的总长为>

如图2所示，测试腔5为双微波腔，主要由两个相同的反射腔 51串接构成；两个反射腔51通过第一直波导52相连，两个反射腔51之间的距离为l_c为15-25mm；微波在两个反射腔51内来回反射，形成谐振结构以获得强场；

如图3所示，沿反射腔轴向方向，反射腔内电场分布非对称；如图4所示，反射腔51在A、B两侧的场强幅值相差较大，反射腔51 两侧场强幅值差至少为300kV/cm，越大越好。因此测试腔5可划分成发射面(对应图2中的Part2、对应图3中B侧)和轰击面(对应图2中的Part1和Part1-B、对应图3中A侧)，用于研究材料的电子发射性能和耐轰击性能；

反射腔51的内腔为圆筒状结构，反射腔51的半径r_a和宽度l_a满足使反射腔内激励起的电磁波为TM₀₂₀模式，本实施例中反射腔51>a为30.5-31.7mm，宽度l_a小于等于10mm(大于10mm后不能保证反射腔内的电磁场模式为TM₀₂₀模式)；从理论上讲，反射腔51>a可以无限小，但实际操作中宽度l_a通常不会小于1-2mm。

两个反射腔51的自由端分别连接有长度均大于50mm的第二直波导53和第三直波导54，以使测试腔5与第五直波导4和第二耦合器 6的传输波导段相接处的场强较低，避免相接处发生击穿；第二直波导53和第三直波导54均为圆波导；为了避免引入更多的连接结构、便于更换以及避免因增加连接结构而增大波导连接处发生击穿的风险，第二直波导53和第三直波导54的内径分别与第五直波导4和第二耦合器6的传输波导段的内径相等。

本发明的测试腔5的特点：

通过调整反射腔51的半径r_a在30.5-31.7mm范围内变化，可实现反射腔51内发射面的场强从600kV/cm变化到1800kV/cm，如表1>

测试腔5内的电场是由微波源1产生的微波形成，若测试腔5的反射系数过大，会将微波反射回微波源，干扰微波源的正常工作，导致测试腔5内无法形成击穿实验所需的电场而无法实现击穿。本发明通过调整第一直波导52的长度使得两个反射腔51之间的距离l_c在>

反射腔51的宽度l_a的值不同，电子从发射面(B侧)运动到轰击面(A侧)的加速距离不同，因此电子轰击A侧的能量不同，能够实现击穿机理分析。

为了将微波正常辐射出去，不干扰测试腔5，本发明还包括依次连接在第二耦合器6输出端的模式转换器7和馈源喇叭8。

本发明同时提供了一种利用上述HPM传输波导击穿实验装置研究击穿问题的方法，包括以下步骤：

1)材料阈值获取：

1.1)选取不同场强的n个测试腔，按照场强从小到大的顺序将测试腔依次编号，记为S1、S2、S3、……、Sn；所述n个测试腔的整腔材料均相同；

1.2)利用模拟软件获取测试腔S1、S2、S3、……、Sn的发射面的最高场强；

1.3)获取电子发射阈值：

1.3.1)将测试腔S1安装至击穿实验装置中；

1.3.2)开展击穿实验；

1.3.3)观察测试腔S1发射面和轰击面的痕迹，若有痕迹，则测试腔S1发射面的最高场强即为发生大量电子发射的阈值；若无痕迹，执行步骤1.3.4)；

1.3.4)用测试腔S2替换测试腔S1，返回步骤1.3.2)；

1.3.5)重复步骤1.3.1)-1.3.4)直至获取发生大量电子发射的阈值；

1.4)获取击穿阈值：

1.4.1)利用将一段直波导替换击穿实验装置的测试腔后，开展击穿实验，获得辐射场波形后将所述直波导移除；

1.4.2)将测试腔S1安装至击穿实验装置中；

1.4.3)开展击穿实验，获取辐射场波形；

1.4.4)将步骤1.4.3)获得的辐射场波形与步骤1.4.1)获得的辐射场波形进行对比，若脉宽有缩短，则击穿阈值为测试腔S1发射面的最高场强；若脉宽无缩短，则执行步骤1.4.5)；

1.4.5)用测试腔S2替换测试腔S1,返回步骤1.4.3)；

1.4.6)重复步骤1.4.3)-1.4.5)直至获取击穿阈值；

上述步骤中测试腔外加同一轴向磁场。

2)材料优选方法：

2.1)依次将发射面材料相同、轰击面材料不同的m个测试腔安装至击穿实验装置中分别进行击穿实验，获取这m个测试腔分别对应的辐射场波形，辐射场波形的脉宽越窄则其对应的测试腔的轰击面材料的耐轰击性能越差，辐射场波形的脉宽越宽则其对应的测试腔的轰击面材料的耐轰击性能越好；

2.2)依次将发射面材料不同、轰击面材料相同的x个测试腔安装至击穿实验装置中分别进行击穿实验，获取这x个测试腔分别对应的辐射场波形，辐射场波形的脉宽越窄则其对应的测试腔的发射面材料的抑制电子发射性能越差，辐射场波形的脉宽越宽则其对应的测试腔的发射面材料的抑制电子发射性能越好。

上述步骤中，若击穿实验后某测试腔对应的辐射场波形的脉宽相同，不能区分材料性能时，可增大测试腔外加轴向磁场后，再次进行击穿实验，获取辐射场波形后重新进行比较。

上述步骤2)中发射面和轰击面的材料均选用金属材料，如不锈钢、铜、钛等。

实施例：

测试腔5分别采用双微波腔S3-S8，其结构参数如下表1所示：

表1理论模拟双微波腔结构参数

上述表1中各参数含义：

r为第二直波导和第三直波导的半径，

l_d为第二直波导53和第三直波导54的长度；

l_a为反射腔51的宽度；

ro为轰击面倒角；

ri为发射面倒角；

r_a为反射腔51的半径；

l_c为两个反射腔51之间的距离。

图6和图7分别为不锈钢材质的双微波腔S3和S4实验后的痕迹，双微波腔S3外加1T轴向磁场，在70个炮次后仍无明显痕迹，如图6所示；而不锈钢腔S4外加1T磁场，仅在20个炮次后，发射侧和轰击侧均有较多的痕迹，如图7所示。因此，可认为在微波脉宽大约为25ns的条件下，场强在670kV/cm以下时，不锈钢材料宏观上没有大量电子发射。

图8为不锈钢材质的双微波腔S3和S4不加轴向磁场时第一耦合器的通路cr1反射波形，线条Ⅰ为双微波腔S3对应的波形，线条Ⅱ为双微波腔S4波形；图9为不锈钢材质的双微波腔S3和S6不加轴向磁场时第一耦合器的通路cr1反射波形，线条Ⅰ为双微波腔S3对应的波形，线条Ⅲ为双微波腔S6的波形；从图中可看出，双微波腔 S4对应的反射波形与双微波腔S3一致，双微波腔S6对应的反射波形与双微波腔S3在前14ns(从-100ns至-86ns)保持一致，之后双微波腔S6对应的反射波幅度有所增大；考虑到击穿造成的反射信号比微波传输信号约延迟2×1.86m/v_g≈14ns，可以推断双微波腔S6增大的反射信号很有可能来自击穿，因此可认为双微波腔S6发生了击穿，双微波腔S4还未发生击穿。

图10、11、12分别为不锈钢材质的双微波腔S4、S6、S7内的辐射场波形，其中虚线“----”为对照腔直波导波形(将整个测试腔替换为直波导，所获得的波形作为对照腔直波导波形)，实线为不加轴向磁场时的波形，点线“……”为外加1.0T轴向磁场时的波形。从图10中可看出，双微波腔S4不加磁场与加磁场时的辐射场波形均与对照腔直波导波形一致。从图11中可以看出，双微波腔S6不加磁场时的辐射场波形与直波导对比幅度有减小，同时波形的前沿斜率增大，具体看来辐射场波形前沿从幅度为-0.15V时开始有变化，如图11中黑圈所示，对应的电压幅度约为，换算成微波功率约为 1.0GW，此时发射面最高场强约为800kV/cm；双微波腔S6外加1T 轴向磁场后，同样观察到了波形前沿斜率增大的现象，同时波形出现了尾蚀现象。采用发射面场强更高的双微波腔S7进行实验，其辐射场波形与直波导波形对比前沿斜率明显增大，如图12所示，具体看来辐射场波形前沿从幅度为-0.1V时开始有变化，此时对应的电压幅度约为，换算成微波功率约为0.53GW，相应的发射面最高场强约为 900kV/cm；双微波腔S7外加1T轴向磁场后，波形脉宽出现明显缩短。结合以上分析可知，在不加轴向磁场时，传输波导内的击穿主要表现为微波前沿被削，斜率增大；加轴向磁场后，微波出现明显的脉宽缩短。因此，可认为双微波腔S4未发生击穿，双微波S6和S7已发生击穿，即在微波脉宽约为25ns的条件下，对于不锈钢材料，800 kV/cm是较安全的阈值。

图13比较了加不同强度的外加轴向磁场时不锈钢材质的双微波腔S7的辐射场波形，从图中可看出，当磁场较小时，微波有一定程度的尾蚀，但脉宽没有明显的缩短，如图中虚线“----”所示。随着磁场增大，发射电子逐渐被约束住集中轰击金属表面，微波脉宽明显减小。当磁场增大到一定的值后，再继续增大，微波脉宽没有出现进一步的恶化，如图中点线“……”和点划线所示。

图14比较了不同材料的电子发射性能和轰击性能，图中纯黑色柱形表示双微波腔S7为不同材料时的辐射场脉宽；填充网格柱形表示发射面替换为不同钛材料，轰击面统一为ss304的双微波腔S7的辐射场脉宽；填充斜线柱形表示轰击面替换为不同钛材料，发射面统一为ss304的腔S7的辐射场脉宽。未击穿时，辐射场脉宽约为25ns，若以辐射场脉宽作为评价材料性能好坏的依据，则材料的抑制电子发射性能大致为ss304<TA2<TA15<TC11<TC21<TC18，耐电子轰击性能大致为ss304<TC11<TA2<TA15<TC21<TC18，双微波腔的整腔特性大致为ss304<TC11<TA2<TA15<TC21<TC18。从图14中(a)、 (b)、(c)可以看出，是否发生击穿与测试腔外加轴向磁场的大小也有关联，当此次实验后无法区分材料性能好坏(如图中某几个柱形图高度一样时就表示无法区分材料性能)时，应调整测试腔外加轴向磁场的大小后再次进行击穿实验，获取辐射场波形，根据辐射场波形脉宽对材料性能进行评价。

图15比较了外加轴向磁场为1T时对照组直波导(将整个测试腔替换成对照组直波导进行实验，获取辐射场波形，下同)、整腔为 ss304材料的双微波腔S7、TA2材料的双微波腔S7和TC18材料的双微波腔S7的辐射场波形，从图中可看出，TC18材料的双微波腔性能最优，几乎无脉宽缩短。

图16为不同宽度的不锈钢材质的双微波腔S6、S7和S8的辐射场波形，其中点划线为对照组直波导的波形；虚线、点线分别为双微波腔S6和S7的波形，反射腔宽度均为10mm，表面最高场强分别为 1MV/cm和1.8MV/cm；实线为双微波腔S8，反射腔宽度为2mm，表面最高场强为1.3MV/cm；反射腔中的电磁场为TM₀₂₀模式，反射腔的宽度决定了电子到轰击面时的能量。从图中可看出双微波腔S6和S7均有脉宽缩短现象，而双微波腔S8仅有幅度衰减，脉宽基本不变化，且由于其表面最高场强介于双微波腔S6和S7之间，可排除场强的影响，认为造成这一现象的原因主要来自轰击电子的能量。因此，当反射腔宽度较窄时，即轰击电子能量较小时，击穿主要影响微波的幅度，而对微波脉宽的影响较弱。

如图17所示，采用电子扫描显微镜分析发射面为ss304(不锈钢材料)和轰击面为TC18(Ti材料)的双微波腔腔S7，发射面的痕迹呈现为熔蚀坑状，成分以Fe为主，未发现Ti成分；轰击面痕迹呈液滴溅射状，溅射痕迹直径在几μm到几十μm不等，含大量Fe成分。这些Fe成分只可能来自发射面，发射面受粒子轰击，溅射出Fe离子和原子，Fe粒子团运动到轰击面形成液滴溅射的形态，证明击穿过程中除了电子参与，离子也起了重要的作用。

最后需要说明的是：上述所有附图中各波形都是在频率为 9.75GHz，微波脉宽大约为25ns的条件下测得的。