宋志敏,孫　鈞，曹亦兵,張余川

(西北核技術(shù)研究所,西安　710024;　高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安　710024)

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高功率微波源中強(qiáng)場(chǎng)擊穿機(jī)理探討

宋志敏,孫鈞，曹亦兵,張余川

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

摘要：為了研究高功率微波源中強(qiáng)場(chǎng)擊穿的“陰極”和“陽極”效應(yīng)，基于無箔二極管，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)中，在金屬表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為1.2 MV·cm-1、導(dǎo)引磁場(chǎng)約為2.5 T的條件下，通過對(duì)上百次脈沖實(shí)驗(yàn)后，“陰極”和“陽極”表面形貌的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于數(shù)十納秒的短脈沖而言，場(chǎng)致爆炸電子發(fā)射不會(huì)引起明顯的結(jié)構(gòu)損傷，在強(qiáng)外加引導(dǎo)磁場(chǎng)約束下，強(qiáng)場(chǎng)致發(fā)射電子轟擊金屬結(jié)構(gòu)表面的“陽極效應(yīng)”是引起結(jié)構(gòu)破壞的直接原因。

關(guān)鍵詞：高功率微波；強(qiáng)場(chǎng)擊穿；爆炸發(fā)射；陽極效應(yīng)

強(qiáng)場(chǎng)擊穿廣泛存在于脈沖功率驅(qū)動(dòng)源、射頻加速器、高功率微波源等電真空器件中[1-13]，嚴(yán)重限制了這些器件的工作性能。脈沖功率驅(qū)動(dòng)源中的擊穿問題，實(shí)際上是一個(gè)靜電擊穿問題，研究起來相對(duì)簡單。射頻加速器中的強(qiáng)場(chǎng)擊穿問題，已經(jīng)得到了較為深入的研究，形成的觀點(diǎn)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(chǎng)加熱效應(yīng)等[1-3]。高功率微波源中，強(qiáng)電磁場(chǎng)問題大多涉及強(qiáng)流相對(duì)論電子束、強(qiáng)外加引導(dǎo)磁場(chǎng)、低真空(～10-3Pa)等一系列客觀因素，研究起來比較復(fù)雜。

高功率微波源中，強(qiáng)電磁場(chǎng)擊穿嚴(yán)重限制了其長壽命和高可靠性運(yùn)行。大多數(shù)俄羅斯學(xué)者認(rèn)為，起源于強(qiáng)電磁場(chǎng)處金屬表面的爆炸電子發(fā)射是引起高功率微波源中強(qiáng)電磁場(chǎng)擊穿的主要因素[4-5]，我國部分學(xué)者也繼承和發(fā)展了這些理論[6]。西北核技術(shù)研究所的研究人員認(rèn)為，“陰極”表面強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射電子在射頻場(chǎng)中獲取能量后，在強(qiáng)外加引導(dǎo)磁場(chǎng)約束下，轟擊金屬材料表面引起的“陽極”效應(yīng)是引起擊穿的主要因素[7]。

1問題的提出

相對(duì)論返波管(relativistic backward wave oscillator，RBWO )是一種典型的高功率微波產(chǎn)生器件，具有高效率、高穩(wěn)定性和高輸出微波功率等特點(diǎn)，受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。圖1給出了某相對(duì)論返波管在上百炮次運(yùn)行后，諧振反射器內(nèi)的受損情況，其中，強(qiáng)場(chǎng)側(cè)(～1 MV·cm-1)受損情況明顯不如弱場(chǎng)側(cè)(～500 kV·cm-1)嚴(yán)重，慢波結(jié)構(gòu)和提取腔內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也呈現(xiàn)出了類似的特點(diǎn)，這顯然不能解釋爆炸發(fā)射引起的結(jié)構(gòu)破壞問題。研究人員認(rèn)為，強(qiáng)場(chǎng)側(cè)的場(chǎng)致發(fā)射電子在射頻場(chǎng)中獲取能量，并在外加引導(dǎo)磁場(chǎng)約束下，以較為集中的能量轟擊對(duì)側(cè)金屬壁是引起結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)場(chǎng)擊穿的主要原因，如圖2所示。

圖1　某相對(duì)論返波管諧振反射器表面強(qiáng)場(chǎng)擊穿痕跡Fig.1　The destroyed reflector surface of the RBWO by intease field

圖2　場(chǎng)致發(fā)射電子轟擊結(jié)構(gòu)表面引起的結(jié)構(gòu)破壞示意圖Fig.2　Schematic of the structure surface bombarded by energetic electron

2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)“陰極”和“陽極”破壞效應(yīng)，本文基于無箔二極管設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，主要考慮如下：1)在高壓穩(wěn)恒電脈沖驅(qū)動(dòng)下，開展實(shí)驗(yàn)以排除時(shí)諧場(chǎng)的影響。由于直流場(chǎng)下，陰極表面在整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)始終處于發(fā)射狀態(tài)(無場(chǎng)的交變)，爆炸發(fā)射持續(xù)的時(shí)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(chǎng)條件下，表面爆炸發(fā)射更不可能造成結(jié)構(gòu)表面的燒蝕破壞；2)將強(qiáng)場(chǎng)側(cè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)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(jié)構(gòu)接近。

圖3給出了無箔二極管陰極引桿表面電場(chǎng)云圖,圖4為沿引桿表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線,兩圖中A、B點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。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(jìn)行了半徑為2 mm的倒角處理。圖中對(duì)應(yīng)二極管工作電壓為500 kV，最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1 280 kV·cm-1，可以達(dá)到場(chǎng)致爆炸電子發(fā)射所需要的場(chǎng)水平。

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

圖4　陰極表面最大法向電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.4　Maximal normal electric field distributionon the designed cathode surface

通過調(diào)整二極管工作電壓，可以實(shí)現(xiàn)陰極引桿表面最大電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)磁場(chǎng)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(nèi)，最大電流密度出現(xiàn)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(dāng)二極管工作電壓在254～530 kV之間變化時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度以及外沿電子發(fā)射對(duì)內(nèi)側(cè)場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)，最大電流密度始終位于陰極外沿，且局部電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)場(chǎng)擊穿后的局部破壞特點(diǎn)。

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(shí)驗(yàn)研究

基于第2節(jié)無箔二極管設(shè)計(jì)結(jié)果，建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了初步的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用的陰極和陽極材料都包括不銹鋼(SS)和鈦(Ti)，且表面進(jìn)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(jié)構(gòu)的狀態(tài)。其中，脈沖功率驅(qū)動(dòng)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(dǎo)磁場(chǎng)恒定為2.5 T。

圖7給出了實(shí)驗(yàn)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(jié)果基本接近。二極管電流前沿較為緩慢，這是因?yàn)榈菇呛凸に囂幚韺?dǎo)致局部場(chǎng)增強(qiáng)因子較低的緣故，不同工作電壓和電流下，實(shí)驗(yàn)波形呈現(xiàn)了類似的特點(diǎn)。其中，電流波形起始處的小尖峰是高壓脈沖傳輸?shù)絉ogowski線圈位置時(shí)，線圈感應(yīng)到的信號(hào)。

圖8給出了500 kV工作電壓下，上百次實(shí)驗(yàn)前及實(shí)驗(yàn)后陰極表面的形態(tài)?？梢钥闯?，陰極表面幾乎沒有發(fā)生變化(電場(chǎng)強(qiáng)度約為1 MV·cm-1)。由于高功率微波源高頻結(jié)構(gòu)表面對(duì)應(yīng)的最大射頻電場(chǎng)強(qiáng)度低于該陰極表面直流電場(chǎng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)表面的受損痕跡不應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的破壞。其中，二極管工作電壓在200～700 kV范圍內(nèi)，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(yīng)相對(duì)“陰極”效應(yīng)更容易引起金屬結(jié)構(gòu)破壞。這可以解釋高功率微波源中強(qiáng)場(chǎng)擊穿條件下受損嚴(yán)重位置始終處于強(qiáng)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)側(cè)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(yīng)用到高功率微波源高頻結(jié)構(gòu)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(jié)論

為了研究高功率微波源中強(qiáng)場(chǎng)擊穿的“陰極”和“陽極”效應(yīng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，研究結(jié)果表明，在金屬表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度約1.2 MV·cm-1、導(dǎo)引磁場(chǎng)約2.5 T的條件下，上百個(gè)脈沖的陰極爆炸電子發(fā)射不足以引起結(jié)構(gòu)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(yīng)更容易引起結(jié)構(gòu)破壞。由于高功率微波源中強(qiáng)場(chǎng)側(cè)發(fā)射程度不如所設(shè)計(jì)的陰極嚴(yán)重，其表面更加難以受到破壞，其受損痕跡應(yīng)該來自高能電子轟擊引起的“陽極”效應(yīng)。盡管本文中的實(shí)驗(yàn)研究簡化到了無箔二極管中進(jìn)行，但其反映的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象仍然可以為研究高功率微波源中的強(qiáng)場(chǎng)擊穿機(jī)制提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]GUREVICH A. Enhancement of rf breakdown field of superconductors by multilayer coating[J]. J Appl Phys Lett，2006, 88(1): 012511.

[2]PETER W. Vacuum breakdown and surface coating of RF cavities [J].J Appl Phys, 1984, 56(5): 1 546-1 547.

[3]SEMENOV V E, ZHAROVA N A, ZAITSEV N I, et al. Reduction of the multipactor threshold due to electron cyclotron resonance[J]. IEEE Trans Plasma Sci, 2012, 40(11): 3 062-3 069.

[4]KOVALEV N F, NECHAEV V E, PETELIN M I, et al. Scenario for output pulse shortening in microwave generators driven by relativistic electron beams [J]. IEEE Trans Plasma Sci, 1998, 26(3): 246-251.

[5]KOROVIN S D, MESYATS G A, PEGEL I V, et al. Pulsewidth limitation in the relativistic backward wave oscillator [J]. IEEE Trans Plasma Sci, 2000, 28(3): 485-495.

[6]羅皓飛，楊建華，林加金，等. 微波射頻場(chǎng)在微波管中產(chǎn)生爆炸電子發(fā)射特性初步分析[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2011,23(11):3 024-3 028.(LUO Hao-fei, YANG Jian-hua, LIN Jia-jin, et al. Characteristic analysis of explosion electron emission in microwave tube resulted from microwave radiation field [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(11): 3 024-3 028.)

[7]孫鈞，曹亦兵，張余川，等. 相對(duì)論返波管中強(qiáng)電磁場(chǎng)擊穿機(jī)理研究[C]//第10屆全國高功率微波學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2015: 66-70. (SUN Jun, CAO Yi-bing, ZHANG Yu-chuan, et al. Breakdown mechanism in relativistic backward wave oscillator with a strong external guiding magnetic field [C]//The 10th national high power microwave academic proceeding, 2015: 66-70.)

[8]宋瑋，邵浩，張治強(qiáng)，等. 射頻擊穿等離子體對(duì)高功率微波傳輸特性的影響[J]. 物理學(xué)報(bào), 2014, 63(6): 064101.(SONG Wei, SHAO Hao, ZHANG Zhi-qiang, et al. High power microwave propagation properties in radio frequency breakdown plasma [J]. Acta Phys Sin, 2014, 63(6): 064101.)

[9]CHANG C, XIONG Z F, GUO L T, et al. Compact four-way microwave power combiner for high power applications [J].J Appl Phys, 2014, 115, 214502.

[10]CHANG C, ZHU M, VERBONCOEUR J, et al. Enhanced window breakdown dynamics in a nanosecond microwave tail pulse[J]. Appl Phys Lett, 2014, 104(25):253504.

[11]常超, 郭樂田, 孫鈞, 等. 高功率微波傳輸通道擊穿診斷研究[J]. 真空電子技術(shù), 2015, (2): 13-17.(CHANG Chao, GUO Le-tian, SUN Jun, et al. Diagnostic research on vacuum breakdown in high power microwave transmission waveguide[J]. Vacuum Electronics, 2015, (2): 13-17.)

[12]SONG W, SUN J, SONG Z M, et al. Suppressing rf breakdown of powerful backward wave oscillator by field redistribution[J]. AIP Advances, 2012, 2(1) :012118.

[13]CAO Y B, SUN J, TENG Y, et al. A powerful reflector in relativistic backward wave oscillator [J]. Phys Plasmas, 2014, 21(9): 093106.

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(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：2095-6223(2016)010501(5)

中圖分類號(hào)：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(guān)領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究。E-mail:songzhimin@nint.ac.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401367)

收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-10-20