高功率微波源中強場擊穿機理探討

宋志敏,孫　鈞，曹亦兵,張余川

(西北核技術研究所,西安　710024;　高功率微波技術重點實驗室,西安　710024)

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高功率微波源中強場擊穿機理探討

宋志敏,孫鈞，曹亦兵,張余川

(西北核技術研究所,西安710024;高功率微波技術重點實驗室,西安710024)

摘要：為了研究高功率微波源中強場擊穿的“陰極”和“陽極”效應，基于無箔二極管，設計了相應的實驗方案。實驗中，在金屬表面最大電場強度約為1.2 MV·cm-1、導引磁場約為2.5 T的條件下，通過對上百次脈沖實驗后，“陰極”和“陽極”表面形貌的對比分析，發(fā)現對于數十納秒的短脈沖而言，場致爆炸電子發(fā)射不會引起明顯的結構損傷，在強外加引導磁場約束下，強場致發(fā)射電子轟擊金屬結構表面的“陽極效應”是引起結構破壞的直接原因。

關鍵詞：高功率微波；強場擊穿；爆炸發(fā)射；陽極效應

強場擊穿廣泛存在于脈沖功率驅動源、射頻加速器、高功率微波源等電真空器件中[1-13]，嚴重限制了這些器件的工作性能。脈沖功率驅動源中的擊穿問題，實際上是一個靜電擊穿問題，研究起來相對簡單。射頻加速器中的強場擊穿問題，已經得到了較為深入的研究，形成的觀點主要包括二次電子倍增理論、陰極爆炸發(fā)射模型及表面磁場加熱效應等[1-3]。高功率微波源中，強電磁場問題大多涉及強流相對論電子束、強外加引導磁場、低真空(～10-3Pa)等一系列客觀因素，研究起來比較復雜。

高功率微波源中，強電磁場擊穿嚴重限制了其長壽命和高可靠性運行。大多數俄羅斯學者認為，起源于強電磁場處金屬表面的爆炸電子發(fā)射是引起高功率微波源中強電磁場擊穿的主要因素[4-5]，我國部分學者也繼承和發(fā)展了這些理論[6]。西北核技術研究所的研究人員認為，“陰極”表面強場發(fā)射電子在射頻場中獲取能量后，在強外加引導磁場約束下，轟擊金屬材料表面引起的“陽極”效應是引起擊穿的主要因素[7]。

1問題的提出

相對論返波管(relativistic backward wave oscillator，RBWO )是一種典型的高功率微波產生器件，具有高效率、高穩(wěn)定性和高輸出微波功率等特點，受到了國內外研究人員的廣泛關注。圖1給出了某相對論返波管在上百炮次運行后，諧振反射器內的受損情況，其中，強場側(～1 MV·cm-1)受損情況明顯不如弱場側(～500 kV·cm-1)嚴重，慢波結構和提取腔內的實驗結果也呈現出了類似的特點，這顯然不能解釋爆炸發(fā)射引起的結構破壞問題。研究人員認為，強場側的場致發(fā)射電子在射頻場中獲取能量，并在外加引導磁場約束下，以較為集中的能量轟擊對側金屬壁是引起結構破壞和強場擊穿的主要原因，如圖2所示。

圖1　某相對論返波管諧振反射器表面強場擊穿痕跡Fig.1　The destroyed reflector surface of the RBWO by intease field

圖2　場致發(fā)射電子轟擊結構表面引起的結構破壞示意圖Fig.2　Schematic of the structure surface bombarded by energetic electron

2實驗方案設計

為了檢驗“陰極”和“陽極”破壞效應，本文基于無箔二極管設計了相應的實驗方案，主要考慮如下：1)在高壓穩(wěn)恒電脈沖驅動下，開展實驗以排除時諧場的影響。由于直流場下，陰極表面在整個脈沖持續(xù)時間內始終處于發(fā)射狀態(tài)(無場的交變)，爆炸發(fā)射持續(xù)的時間更長。如果在這種情況下，都沒有觀察到陰極表面明顯的表面損傷，那么在射頻場條件下，表面爆炸發(fā)射更不可能造成結構表面的燒蝕破壞；2)將強場側的結構進行相應倒角和表面處理，以使其狀態(tài)盡可能與高功率微波源高頻結構接近。

圖3給出了無箔二極管陰極引桿表面電場云圖,圖4為沿引桿表面的電場強度分布曲線,兩圖中A、B點一一對應。其中，陽極外筒半徑為21 mm，陰極引桿外半徑為7.8 mm，陰極厚度為4.8 mm，外沿進行了半徑為2 mm的倒角處理。圖中對應二極管工作電壓為500 kV，最大電場強度達到1 280 kV·cm-1，可以達到場致爆炸電子發(fā)射所需要的場水平。

圖3　無箔二極管中電場云圖Fig.3　Field contour in the foilless diode

圖4　陰極表面最大法向電場強度分布Fig.4　Maximal normal electric field distributionon the designed cathode surface

通過調整二極管工作電壓，可以實現陰極引桿表面最大電場強度在500～1 300 kV·cm-1之間變化，如表 1所列。

表1　不同工作電壓下陰極表面最大電場強度

圖5給出了在500 kV工作電壓下，無箔二極管的爆炸電子發(fā)射模型，其中，工作電流約3 kA，外加引導磁場約2.5 T。圖6給出了電流密度沿徑向的分布，電子束分布在2.75～8.3 mm內，最大電流密度出現在r=7.8 mm處，約8 kA·cm-2。

圖5　無箔二極管爆炸電子發(fā)射模型Fig.5　Explosive electron emission modelof the foilless diode

圖6　徑向電流密度分布Fig.6　Radial current density distribution

表 2給出了不同工作電壓下，無箔二極管工作電流和電流密度的分布情況。當二極管工作電壓在254～530 kV之間變化時，器件阻抗在230～160 Ω之間變化，近似滿足Child-Langmuir公式。由于陰極外沿更高的電場強度以及外沿電子發(fā)射對內側場的屏蔽效應，最大電流密度始終位于陰極外沿，且局部電流密度遠遠高于其他位置的發(fā)射電流密度，這也符合高功率微波源高頻結構強場擊穿后的局部破壞特點。

表2　不同工作電壓下陰極表面電流和電流密度分布

3初步實驗研究

基于第2節(jié)無箔二極管設計結果，建立了相應的實驗平臺，開展了初步的實驗研究。實驗時，采用的陰極和陽極材料都包括不銹鋼(SS)和鈦(Ti)，且表面進行了相同的流體拋光和超聲清洗等工藝處理，以使其盡可能接近高功率微波源高頻結構的狀態(tài)。其中，脈沖功率驅動源的工作脈寬約30 ns，所提供的工作電壓可在200～700 kV之間變化，外加引導磁場恒定為2.5 T。

圖7給出了實驗中典型的二極管工作電壓和電流波形，二極管工作電壓、電流分別為500 kV和3 kA，與模擬結果基本接近。二極管電流前沿較為緩慢，這是因為倒角和工藝處理導致局部場增強因子較低的緣故，不同工作電壓和電流下，實驗波形呈現了類似的特點。其中，電流波形起始處的小尖峰是高壓脈沖傳輸到Rogowski線圈位置時，線圈感應到的信號。

圖8給出了500 kV工作電壓下，上百次實驗前及實驗后陰極表面的形態(tài)。可以看出，陰極表面幾乎沒有發(fā)生變化(電場強度約為1 MV·cm-1)。由于高功率微波源高頻結構表面對應的最大射頻電場強度低于該陰極表面直流電場強度，且表面并不是始終處于發(fā)射狀態(tài)，其表面更難以受到破壞，因此，高頻結構表面的受損痕跡不應該是“陰極”爆炸發(fā)射引起的。

圖7　典型二極管電壓、電流波形Fig.7　Typical diode voltage and current waveforms

圖8　實驗前后陰極表面狀態(tài)Fig.8　Cathode surface states before and after the experiment

圖9分別給出了不銹鋼和鈦材料被陰極發(fā)射電子轟擊后產生的破壞。其中，二極管工作電壓在200～700 kV范圍內，均觀察到了較為明顯的受損痕跡，這說明能量為100 keV、電流密度為1 kA·cm-2的電子束足夠引起金屬材料表面熔融破壞，因此，“陽極”效應相對“陰極”效應更容易引起金屬結構破壞。這可以解釋高功率微波源中強場擊穿條件下受損嚴重位置始終處于強場點對側的實驗現象。此外，該圖也表明，鈦材料具有更好的耐電子轟擊性能，可以應用到高功率微波源高頻結構中。

圖9　不銹鋼和鈦材料表面受損痕跡Fig.9　Destroyed surfaces of the stainless steel and Titanium materials

4結論

為了研究高功率微波源中強場擊穿的“陰極”和“陽極”效應，設計了相應的實驗方案，研究結果表明，在金屬表面最大電場強度約1.2 MV·cm-1、導引磁場約2.5 T的條件下，上百個脈沖的陰極爆炸電子發(fā)射不足以引起結構表面的燒蝕破壞，而能量為100 keV、電流密度為1 kA·cm-2的電子束足夠引起金屬材料表面熔融破壞，因此，“陽極”效應更容易引起結構破壞。由于高功率微波源中強場側發(fā)射程度不如所設計的陰極嚴重，其表面更加難以受到破壞，其受損痕跡應該來自高能電子轟擊引起的“陽極”效應。盡管本文中的實驗研究簡化到了無箔二極管中進行，但其反映的實驗現象仍然可以為研究高功率微波源中的強場擊穿機制提供參考。

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Preliminary Studies of Intense Field Breakdown Mechanism in High Power Microwave Source

SONG Zhi-min,SUN Jun,CAO Yi-bing,ZHANG Yu-chuan

(Northwest Institude of Nuclear Technology,Xi’an 710024,China;Science and Technology on High Power Microwave Laboratory,Xi’an710024,China)

Abstract:In order to investigate “cathodic” and “anodic” mechanisms involving intense RF breakdown in high power microwave (HPM) source, a preliminary experiment is designed based on a foilless diode. An external guiding magnetic field of 2.5 T is used in the experiment,and under the maximal surface field strength over 1.2 MV·cm-1,by comparing the surface appearances of the cathode and anode after more than 100 shots,we found that the explosive electron emission caused by intense electric field can hardly cause structural damges in duration of several tens of nanoseconds. Under the guidance of a strong external magnetic field, the anodic effect induced by magnetically restricted intense electron bombardment on the metal surface directly causes the structure destruction.

Key wordshigh power microwave;intense field breakdown;explosive electron emission;anodic effect

文獻標志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)010501(5)

中圖分類號：TN128

作者簡介：宋志敏(1970- )，男，河南許昌人，副研究員，博士，主要從事高功率微波源及相關領域的理論和實驗研究。E-mail:songzhimin@nint.ac.cn

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61401367)

收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-10-20