一种高功率容量的栅格化介质透镜制造技术

本发明专利技术涉及高功率微波技术领域的用作微波输出窗的一种栅格化介质透镜，尤其是一种工作在高功率容量的栅格化介质透镜。为了克服现有高功率微波发射天线输出窗在介质输出窗口‑真空和介质输出窗口‑空气分界面容易击穿，导致传输效率不够高，脉冲缩短等不足，本发明专利技术提供一种具有高功率容量、击穿阈值高、传输效率高的栅格化介质透镜及其制作方法，由N条金属栅条和介质输出窗口两部分组成，所述N条金属栅条按照一定的间隔p采用贯穿介质输出窗口厚度方向的方式周期性地排列于介质输出窗口内。由于介质透镜表面采用金属栅条隔开，本发明专利技术次级电子发射率更小，功率容量大幅提升，传输效率高，脉冲缩短现象大幅减少，可以应用于高功率微波输出系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高功率微波
的用作微波输出窗的一种栅格化介质透镜，尤其是一种工作在高功率容量的栅格化介质透镜。
技术介绍
近年来，高功率微波(高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～100GHz之间的电磁波)在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，高功率微波已在能源、医疗、环境保护等民用和军事等领域提出了较多的应用。高功率微波的应用需求决定了高功率微波技术朝着高峰值功率、高平均功率、长脉冲、高重复频率、高效率发展。其最终目的是要提高微波的输出能力，包括能量输出能力和功率输出能力。然而，要达到这样的发展目标，需要解决许多相关问题，强场条件下发射天线输出窗的击穿问题是导致高功率微波系统输出效率、功率降低、脉冲缩短的一个重要原因。为了有效解决这一问题，各国学者提出了许多方法，作出了许多有益的探索，如优化输出窗几何结构、选择合适的输出窗材料、对输出窗进行表面处理(清洗输出窗表面、烧氢烘烤、电抛光高压水清洗表面、镀膜等)、外加磁场等。次级电子发射是导致介质输出窗口击穿的重要原因，优化介质输出窗口结构的目的就是抑制次级电子发射，改善输出窗击穿阈值。M.Pivi等人从理论和实验上研究了人为沟槽金属表面(即在金属表面人为刻蚀沟槽)对于次级电子产生率的影响【M.Pivi,F.K.King,R.E.Kirby.Sharpreductionofthesecondaryelectronemissionyieldfromgroovedsurfaces[J].J.Appl.Phys.2008,104:104904.】。虽然M.Pivi等人研究的对象是金属，金属并不能用作输出窗材料，但是其研究所得出的不同结构对于次级电子发射的抑制作用的结论对于介质具有借鉴意义。他们考虑了两种类型的沟槽，如图1所示，一种是角度为α的三角形，另一种是凹槽厚度为t，宽度为a，深度为h，周期为b的矩形沟槽。计算机仿真的结果表明，可以通过在真空室的表面使用凹槽来抑制次级电子产生率。抑制的程度取决于样品的参数：对于三角形凹槽，参数就是角度α；对于矩形凹槽，参数就是h/a和a/t。具体结论为：对于三角形凹槽，角度越小，次级产生率越低，原因是倾斜表面限制了电子聚集在一起的概率。同时发现有效次级电子产生率不取决于三角形凹槽的尺寸，而只是角度α的函数。同时发现减小矩形凹槽次级电子产生率，可以通过大的深度周期比h/a和大的宽度厚度比a/t来实现。他们加工和测试了斜凹槽(图2)和矩形凹槽(图3)表面。斜凹槽(图2)的样品斜槽的角度为20°，槽尺寸为深度h＝1.0mm，宽度a＝0.35mm，厚度t＝0.05mm。图3展示了一个矩形凹槽样品，凹槽样品深度h＝5.0mm，宽度a＝1.8mm，厚度t＝0.25mm。测量是在无磁场区域完成的，结果表明斜凹槽样品的次级电子产生率几乎是平坦表面的一半，矩形凹槽表面的次级电子产生率降低了60％，实验和仿真很好的吻合。国内西北核技术研究所的常超等人在理论和实验上研究了周期锯齿形表面和矩形凹槽对真空倍增效应的影响，实物如图4所示。首先常超等人分别从理论和实验上研究了周期锯齿形表面对真空倍增效应的影响【C.Chang,G.Z.Liu,H.J.Huang,etal.Suppressinghigh-powermicrowavedielectricmultipactorbythesawtoothsurface,Phys.Plasmas.2009,16(8):083501.】。他们运用动力学分析和粒子模拟仿真来分析具有不同倾角和高度的周期等腰三角形表面上电子撞击的能量和倍增过程。研究表明：随着倾角的增加，射频电场的切向分量减小，法向分量增大，传输时间减小，撞击能量显著减小，从而抑制了倍增效应。因此，周期等腰三角形表面能有效抑制倍增效应。如果倍增效应被抑制到一定的程度，击穿阈值将会显著增大。他们使用二维粒子模拟仿真研究了具有不同倾角、高度和周期的等腰三角形，发现对于倾角为22.6°，周期为4mm，倍增效应被缓慢抑制到一定程度。对于倾角为45°，周期为2mm，处于较高速度的倍增电子消失，倍增效应能够被有效抑制。他们进行了具有微秒脉冲长度的S波段高功率微波电介质击穿实验。实验最终证实：相对于平面而言，随着倾角从22.6°增加到45°，具有足够大倾角(比如45°)的周期锯齿形表面能够有效提高两倍的击穿阈值。常超等人同样研究了矩形介质凹槽形状对倍增效应的影响【C.Chang,H.J.Huang,G.Z.Liu，etal.TheEffectofgroovedsurfaceondielectricmultipactor[J].J.Appl.Phys.2009,105(12):123305.】。分析得出，介质击穿对高功率微波传输的影响，最主要的过程是次级电子增加时，使得电介质或金属中的残留气体释放出来，气体在强电场中发生击穿，从而形成等离子体，最终对微波的传输造成影响，使微波截断或者衰减。文章指出凹槽介质抑制倍增效应的主要物理机理是：通过改变电子的轨迹，降低电子能量，使次级电子产生率降低。仿真得出1mm宽，1mm深，1mm厚的矩形凹槽在射频电场为30kV/cm下能够较好的抑制电子倍增效应，实验也证实了此仿真结果。李国林等人提出了一种金属栅格化介质透镜的设计构想【一种金属栅格化介质透镜的设计构想[C].全国高电压加速器学术交流会，2012，中国，贵阳】。介绍了一种将金属栅格插入预先加工的介质槽中，形成周期性金属栅结构，如图5所示，金属栅条露出高度H＝3mm，厚度t＝1mm，周期T＝10mm，插入介质深度为0.5mm。其原理是利用金属栅条的高导电性、低二次电子发射率的特点吸收介质产生的二次电子，希望可以抑制电子倍增过程。然而，由于本文的研究之初仅为一个构想，主要存在以下不足：第一，由于机械加工的沟槽与金属栅结合部位存在的少量稀薄气体较难在真空情况下完全排出，因而更容易产生等离子过程，从而使得功率容量并不高，甚至较图4所示沟槽型介质透镜的功率容量低。实验结果表明，利用图5所示结构，在约20kV/cm的高功率微波电场作用下，传输特性良好，而在25kV/cm的高功率微波电场作用下即发生了击穿，实验波形如图6所示，而图4所示沟槽型介质透镜，可在30kV/cm的高功率微波电场作用下保持良好传输性能，因此没有达到预期效果；第二，图5所示的结构为单面周期性金属栅条结构，因此只能对介质输出窗口-真空分界面二次电子过程产生影响，介质输出窗口-空气分界面二次电子倍增过程无法得到缓解；第三，金属栅条的设计和制作方法存在缺陷：①插入深度仅为0.5mm，安装时极易脱落，而保持露出深度H不变(二次电子吸收效率不变)，插入更深(3～5mm)时，微波传输效率下降到90％以下，违背初衷；②金属条间隔周期较大，造成二次电子在微波场中运动获取能量过大，因此需要对二次电子沿表面运动距离进行优化和修正。虽然目前已经有对输出窗介质结构的优化改进，但在高功率微波应用中仍存在问题：1.由于是在介质基底中刻出凹槽，电子轰击凹槽侧壁的介质上，由于介质的二次电子发生率较高，仍会引起次级二次电子，所以还是较容易发生介质击穿；2.通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率容量的栅格化介质透镜，其特征在于：所述介质透镜由N条金属栅条和介质输出窗口两部分组成，所述N条金属栅条按照一定的间隔p采用贯穿介质输出窗口厚度方向的方式周期性地排列于介质输出窗口内；介质输出窗口及金属栅条的结构尺寸满足以下条件：a.介质输出窗口横截面大小与所需要密封的真空界面的法兰尺寸一致，介质输出窗口厚度d满足以下条件：d=0.5λ/ϵ---(1)]]>其中λ为所需输出高功率微波工作频率对应的自由空间工作波长，ε为介质输出窗口选用介质的介电常数；b.金属栅条周期性排列的方向应与高功率微波电场极化方向一致，经优化设计后的周期排列金属栅条两两之间的间隔p为：p=INT{eErf02mω2[1-cos(ωτ)]}---(2)]]>式中，INT为取整函数，τ=20.4me---(3)]]>Erf0为高功率微波电场强度(V/m)，e为电子电荷(C)，m为电子质量(kg)，ω为高功率微波工作角频率(Hz)；c.金属栅条的厚度t小于等于0.2λ；d.金属栅条的宽度w为介质输出窗口厚度d与金属栅条厚度t之和，即w＝d+t，且应保证金属栅条在介质输出窗口‑真空和介质输出窗口‑空气分界面各露出0.5t的高度；e.金属栅条的数量N为其在周期性排列的情况下可以覆盖介质输出窗口中发射天线口面部分的最小偶数，且应保证在介质输出窗口对称中心的轴线上不安放金属栅条，并确保在周期性排列的方向上发射天线口面部分剩余未覆盖的介质长度l小于金属栅条排列间隔p与栅条厚度t之和；f.金属栅条长度方向的边界与高功率微波发射天线出口处的边界重合，且应保证与天线出口处金属壁有良好的电接触。...

【技术特征摘要】
1.一种高功率容量的栅格化介质透镜，其特征在于：所述介质透镜由N条金属栅条和介质输出窗口两部分组成，所述N条金属栅条按照一定的间隔p采用贯穿介质输出窗口厚度方向的方式周期性地排列于介质输出窗口内；介质输出窗口及金属栅条的结构尺寸满足以下条件：a.介质输出窗口横截面大小与所需要密封的真空界面的法兰尺寸一致，介质输出窗口厚度d满足以下条件：d=0.5&la...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国林，樊玉伟，邱永峰，舒挺，杜广星，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43