在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法，所述方法包括：根據(jù)二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線的第一交叉點(diǎn)，確定磁場(chǎng)的回旋頻率，二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線由介質(zhì)表面材料確定；根據(jù)磁場(chǎng)的回旋頻率，在介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)，介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，磁場(chǎng)滿足：磁場(chǎng)的磁力線平行；磁場(chǎng)的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；磁場(chǎng)的方向垂直于橫磁電磁場(chǎng)模式的法向電場(chǎng)方向、平行于橫磁電磁場(chǎng)模式的切向電場(chǎng)方向以及平行于介質(zhì)表面。本發(fā)明的方法通過(guò)采用周期性介質(zhì)表面，并在周期性介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)的手段，使得在不同電場(chǎng)條件下，本發(fā)明的方法都能夠?qū)橘|(zhì)表面二次電子的倍增起到一定的抑制效果，并且隨著電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的提高，抑制效果更好。
【專利說(shuō)明】在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波(High Power Microwave, HPM)是指峰值功率超過(guò)100MW,頻率在IGHz?300GHz范圍內(nèi)的電磁輻射。HPM在科研、民用和國(guó)防領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。隨著高功率微波器件的峰值功率和脈沖寬度的提高，特別是大功率、小型化微波裝置的研制，位于真空中的介質(zhì)表面(簡(jiǎn)稱真空介質(zhì)表面)擊穿已經(jīng)成為限制高功率微波傳輸與發(fā)射系統(tǒng)功率提高的主要瓶頸。
[0003]真空介質(zhì)表面擊穿的過(guò)程是:在真空介質(zhì)表面，由于二次電子倍增，觸發(fā)了氣體層中的等離子體電離雪崩放電，從而擊穿真空介質(zhì)表面。提高真空介質(zhì)表面的抗擊穿性能的一種重要手段是對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行處理，國(guó)內(nèi)外研究者如日本KEK學(xué)者通過(guò)氮化鈦薄膜有效降低了二次電子發(fā)射產(chǎn)額，改善了絕緣體材料的表面性能。但是，現(xiàn)有的對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行處理的技術(shù)存在的問(wèn)題是:抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的效果較低(即提高介質(zhì)表面微波擊穿閾值的幅度不大)、可靠性不高或介質(zhì)表面壽命短。
[0004]通過(guò)將真空介質(zhì)表面制作為周期性表面可以抑制平行于介質(zhì)表面的微波電場(chǎng)的切向電場(chǎng)分量引發(fā)的二次電子倍增，有效提高介質(zhì)表面微波擊穿閾值。但是，周期性表面對(duì)垂直于介質(zhì)表面的微波電場(chǎng)的法向電場(chǎng)分量導(dǎo)致的二次電子倍增沒(méi)有抑制、反而有增強(qiáng)作用。
[0005]通過(guò)諧振磁場(chǎng)可以抑制介質(zhì)表面的二次電子倍增，有效提高介質(zhì)表面微波擊穿閾值。但是，對(duì)于同時(shí)具有微波電場(chǎng)的切向電場(chǎng)分量和法向電場(chǎng)分量的電磁波情況，例如橫磁電磁場(chǎng)模式(TM模式)，諧振磁場(chǎng)難以同時(shí)垂直于兩個(gè)電場(chǎng)分量,難以抑制二次電子倍增。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是在橫磁電磁場(chǎng)模式下，現(xiàn)有的抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的技術(shù)無(wú)法抑制二次電子倍增的問(wèn)題。
[0007]為此目的,本發(fā)明提出一種在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法，所述方法包括:
[0008]根據(jù)二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線的第一交叉點(diǎn)，確定磁場(chǎng)的回旋頻率，所述二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線由介質(zhì)表面材料確定；
[0009]根據(jù)所述磁場(chǎng)的回旋頻率，在介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)，所述介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，所述磁場(chǎng)滿足:磁場(chǎng)的磁力線平行；磁場(chǎng)的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；磁場(chǎng)的方向垂直于橫磁電磁場(chǎng)模式的法向電場(chǎng)方向、平行于橫磁電磁場(chǎng)模式的切向電場(chǎng)方向以及平行于所述介質(zhì)表面。
[0010]可選的，所述周期性介質(zhì)表面的周期尺寸根據(jù)微波波長(zhǎng)確定。
[0011]可選的，所述周期性介質(zhì)表面的周期尺寸小于微波波長(zhǎng)的1/30。
[0012]可選的，所述周期性介質(zhì)表面的剖面的形狀為三角形、梯形或圓弧形。
[0013]可選的，所述磁場(chǎng)的回旋頻率Ω滿足Ω = (I?2) ω，其中，ω為微波角頻率。
[0014]相比于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明的在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法通過(guò)采用周期性介質(zhì)表面，并在周期性介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)的手段，使得在不同電場(chǎng)條件下，本發(fā)明的方法都能夠?qū)橘|(zhì)表面二次電子的倍增起到一定的抑制效果，并且隨著電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的提高，本發(fā)明的方法對(duì)介質(zhì)表面二次電子的倍增的抑制效果更好。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1示出了一種在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法流程圖；
[0016]圖2示出了在均勻介質(zhì)表面加載TMOl模式的圓柱波導(dǎo)的剖面；
[0017]圖3示出了在均勻介質(zhì)表面加載TMOl模式的圓柱波導(dǎo)的截面；
[0018]圖4(a)?(d)示出了平面介質(zhì)表面與周期性介質(zhì)表面在不同電場(chǎng)條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時(shí)間t/T的變化結(jié)果對(duì)比；
[0019]圖5(a)?(d)不出了施加不同切向磁場(chǎng)的平面介質(zhì)表面在不同電場(chǎng)條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時(shí)間t/T的變化結(jié)果對(duì)比；
[0020]圖6(a)?(d)不出了施加不同磁場(chǎng)的平面介質(zhì)表面與周期性介質(zhì)表面在不同電場(chǎng)條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時(shí)間t/T的變化結(jié)果對(duì)比。

【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022]如圖1所不,本實(shí)施例公開(kāi)一種在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法，所述方法可包括以下步驟:
[0023]S1、根據(jù)二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線的第一交叉點(diǎn)，確定磁場(chǎng)的回旋頻率Ω，磁場(chǎng)的回旋頻率Ω滿足Ω = (I?2) ω，g卩Ω為ω的I至2倍，其中，ω為微波角頻率，二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線由介質(zhì)表面材料確定；
[0024]S2、根據(jù)磁場(chǎng)的回旋頻率,在介質(zhì)表面施加磁場(chǎng),其中，介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，磁場(chǎng)滿足以下三個(gè)條件:
[0025]磁場(chǎng)的磁力線平行；
[0026]磁場(chǎng)的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；
[0027]磁場(chǎng)的方向垂直于橫磁電磁場(chǎng)模式的法向電場(chǎng)方向(即微波電場(chǎng)的法向電場(chǎng)分量En的方向)、平行于橫磁電磁場(chǎng)模式的切向電場(chǎng)方向(即微波電場(chǎng)的切向電場(chǎng)分量Et的方向)以及平行于介質(zhì)表面。
[0028]在具體應(yīng)用中，周期性介質(zhì)表面的周期尺寸根據(jù)微波波長(zhǎng)確定，可使周期性介質(zhì)表面的周期尺寸小于微波波長(zhǎng)的1/30。周期性表面能改變電子的軌跡、渡越時(shí)間和能量。
[0029]如圖2所示的在均勻介質(zhì)表面加載TMOl模式的圓柱波導(dǎo)的剖面，在圓柱的直徑范圍內(nèi)，施加的磁場(chǎng)均勻，圓柱的直徑>35cm，本實(shí)施例中，周期性介質(zhì)表面的剖面的形狀為三角形。施加在介質(zhì)表面的磁場(chǎng)結(jié)合微波電場(chǎng)Erir,在ErtXB作用下共同加速電子,并控制電子的渡越時(shí)間τ，使得電子的渡越時(shí)間τ滿足τ〈Τ/2，Τ為微波的周期，B為磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，由于磁場(chǎng)的回旋頻率Ω滿足Ω = (I?2) ω，所以B = (0.036?0.012) f, f是微波的頻率，不失一般性，f = 10GHz，則B = 0.036?0.072 (Tesla)。磁場(chǎng)回旋頻率Ω決定了電子的渡越時(shí)間τ，電子的渡越時(shí)間τ基本不隨微波電場(chǎng)強(qiáng)度變化。不失一般性，t =O時(shí)刻，當(dāng)三角形的第一面發(fā)射電子時(shí)，法向電場(chǎng)力Fn*向向上(與圖2中微波電場(chǎng)的法向電場(chǎng)分量En的方向相反，圖2中虛線z表示垂直于紙面的軸)、切向電場(chǎng)力Ft方向向左(與圖2中微波電場(chǎng)的切向電場(chǎng)分量Et的方向相反)。經(jīng)過(guò)電子的渡越時(shí)間τ后，當(dāng)發(fā)射電子碰撞相鄰三角形的第二面時(shí)，τ〈Τ/2,法向電場(chǎng)力Fn*向向上,切向電場(chǎng)力Ft方向向左，F(xiàn)n和Ft均提供回復(fù)力，因此在相鄰三角形第二面新產(chǎn)生的二次電子e受到回復(fù)力，被快速拉回相鄰三角形的第二面，使二次電子e的碰撞能量小于二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線的第一交叉點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二次電子發(fā)射產(chǎn)額小于I，這段時(shí)間持續(xù)了 t e (Τ/2- τ，Τ/2)。之后t>T/2，法向電場(chǎng)力匕方向向下，切向電場(chǎng)力Ft方向向右，經(jīng)過(guò)電子的渡越時(shí)間τ〈Τ/2，三角形第二面的發(fā)射電子碰撞相鄰三角形的第一面，在時(shí)間t e (T/2+τ，T),法向電場(chǎng)力Fn方向保持向下，切向電場(chǎng)力Ft方向保持向右，F(xiàn)t提供回復(fù)力，因此在相鄰三角形第一面新產(chǎn)生的二次電子受到回復(fù)力，被快速拉回相鄰三角形的第一面，使二次電子的碰撞能量小于二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線的第一交叉點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二次電子發(fā)射產(chǎn)額小于I。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)抑制真空介質(zhì)表面的二次電子倍增，從而提高了介質(zhì)表面微波擊穿閾值。
[0030]在橫磁(TM)電磁場(chǎng)模式下,通過(guò)在介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)抑制抑制介質(zhì)表面二次電子倍增，顯著不同于僅存在切向電場(chǎng)的微波電場(chǎng)Ert的介質(zhì)表面二次電子倍增。因?yàn)樵趦H存在切向電場(chǎng)的微波電場(chǎng)Erf作用下，電子諧振加速獲得能量ε e,實(shí)現(xiàn)ε ε 2，ε 2為第二交叉點(diǎn)，且電子的渡越時(shí)間τ?T，T為微波周期；對(duì)于存在法向電場(chǎng)、且切向電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向平行的微波電場(chǎng)Erf情況，是通過(guò)改變電子的渡越時(shí)間τ，使τ滿足τ〈Τ/2，這樣，當(dāng)電子碰撞介質(zhì)表面時(shí)，二次電子受到強(qiáng)回復(fù)力，被快速拉回介質(zhì)表面，二次電子的碰撞能量86小于第一交叉點(diǎn)S1，即ε ，實(shí)現(xiàn)抑制二次電子倍增。
[0031]圖3示出了在均勻介質(zhì)表面加載TMOl模式的圓柱波導(dǎo)的截面，施加的磁場(chǎng)對(duì)二次電子倍增的影響可通過(guò)3-D PIC軟件來(lái)模擬。二次發(fā)射電子角度分布為余弦分布，其幅度被歸一化。電子發(fā)射能量滿足高斯分布，峰值能量10eV，半高寬10eV。模擬中參數(shù)為頻率f= 11.42GHz，電子垂直于介質(zhì)表面入射下二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線峰值為δπ(ι = 2.5，電子峰值能量ε m = 400eV，表面粗糙度ks = I。電子能量通過(guò)e2Erf(l2/mco2歸一化。橫坐標(biāo)為計(jì)算時(shí)間對(duì)微波周期(0.08ns)的歸一化，縱坐標(biāo)為介質(zhì)表面累積的電荷密度。
[0032]圖4(a)?(d)示出了平面介質(zhì)表面與周期性介質(zhì)表面在不同電場(chǎng)條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時(shí)間t/T的變化結(jié)果對(duì)比，圖中“一”代表平面介質(zhì)表面，“一一”代表周期性介質(zhì)表面。
[0033]圖4 (a)的法向電場(chǎng)En = 0.65MV/m,切向電場(chǎng)Et = 1.10MV/m ;圖4 (b)的法向電場(chǎng)En = 1.94MV/m，切向電場(chǎng)Et = 3.35MV/m ;圖4 (c)的法向電場(chǎng)En = 3.20MV/m,切向電場(chǎng)Et=5.57MV/m ;圖 4 (d)的法向電場(chǎng) En = 5.76MV/m,切向電場(chǎng) Et = 10.0MV/m。
[0034]可以看出，通過(guò)周期性介質(zhì)表面可以有效地降低圓柱波導(dǎo)腔體內(nèi)的二次電子電荷密度(圖4(c)的En = 3.20MV/m的條件除外)，這說(shuō)明周期性介質(zhì)表面技術(shù)可以有效地抑制二次電子倍增。
[0035]圖5(a)?(d)不出了施加不同磁場(chǎng)的平面介質(zhì)表面在不同電場(chǎng)條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時(shí)間t/T的變化結(jié)果對(duì)比。圖中“一”代表平面介質(zhì)表面，
“----”代表平面介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)Bt = 0.1Tesla......”代表平面介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)Bt
=0.3Tesla 一.—”代表平面介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)Bt = 0.5Tesla。
[0036]圖5 (a)的法向電場(chǎng)En = 0.65MV/m,切向電場(chǎng)Et = 1.1 OMV/m ;圖5 (b)的法向電場(chǎng)En = 1.94MV/m，切向電場(chǎng)Et = 3.35MV/m ;圖5 (c)的法向電場(chǎng)En = 3.20MV/m,切向電場(chǎng)Et=5.57MV/m ;圖 5 (d)的法向電場(chǎng) En = 5.76MV/m,切向電場(chǎng) Et = 10.0MV/m。
[0037]施加磁場(chǎng)對(duì)二次電子倍增的抑制是有一定效果的，而且該效果主要體現(xiàn)在較小的電場(chǎng)條件下(即圖5 (b)的En = 1.94MV/m條件)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，施加磁場(chǎng)所得到的抑制效果并不是很明顯。
[0038]圖6(a)?(d)不出了施加不同磁場(chǎng)的平面介質(zhì)表面與周期性介質(zhì)表面在不同電場(chǎng)條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時(shí)間t/T的變化結(jié)果對(duì)比。圖中“——”代表平面介質(zhì)表面，“”代表周期性介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)Bt = 0.1Tesla,"……”代表周期性介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)Bt = 0.3Tesla, “一.一”代表周期性介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)Bt = 0.5Tesla。
[0039]圖6 (a)的法向電場(chǎng)En = 0.65MV/m,切向電場(chǎng)Et = 1.1 OMV/m ;圖6 (b)的法向電場(chǎng)En = 1.94MV/m，切向電場(chǎng)Et = 3.35MV/m ;圖6 (c)的法向電場(chǎng)En = 3.20MV/m,切向電場(chǎng)Et=5.57MV/m ;圖 6 (d)的法向電場(chǎng) En = 5.76MV/m,切向電場(chǎng) Et = 10.0MV/m。
[0040]通過(guò)圖6(a)?(d)可以很明顯地看出，同時(shí)采用周期性介質(zhì)表面和施加磁場(chǎng)方法，在各個(gè)電場(chǎng)條件下都能夠?qū)Χ坞娮拥谋对銎鸬揭欢ǖ囊种菩Ч６?，很明顯，隨著場(chǎng)強(qiáng)的提高，該技術(shù)對(duì)二次電子的倍增的抑制效果更好。
[0041]通過(guò)對(duì)比圖5(d)和圖6(d)，可以看出，在高電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)條件下，單獨(dú)依靠施加磁場(chǎng)來(lái)抑制二次電子倍增的效果是不理想的，而加上了周期性介質(zhì)表面，則能夠很好地提高抑制效果。
[0042]通過(guò)對(duì)比圖5(b)和圖6(b)，可以看到，在這個(gè)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)條件下，如果只是施加磁場(chǎng)來(lái)抑制二次電子的倍增，磁場(chǎng)的確能夠起到一定的抑制效果，但是在增加了周期性介質(zhì)表面之后，相同條件下，電子的數(shù)密度大大下降(同比減少約20-30dB)，而且，增大磁場(chǎng)也有助于提升抑制的效果。
[0043]雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種在橫磁電磁場(chǎng)模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法，其特征在于，所述方法包括: 根據(jù)二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線的第一交叉點(diǎn)，確定磁場(chǎng)的回旋頻率，所述二次電子發(fā)射產(chǎn)額曲線由介質(zhì)表面材料確定； 根據(jù)所述磁場(chǎng)的回旋頻率，在介質(zhì)表面施加磁場(chǎng)，所述介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，所述磁場(chǎng)滿足:磁場(chǎng)的磁力線平行；磁場(chǎng)的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；磁場(chǎng)的方向垂直于橫磁電磁場(chǎng)模式的法向電場(chǎng)方向、平行于橫磁電磁場(chǎng)模式的切向電場(chǎng)方向以及平行于所述介質(zhì)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期性介質(zhì)表面的周期尺寸根據(jù)微波波長(zhǎng)確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述周期性介質(zhì)表面的周期尺寸小于微波波長(zhǎng)的1/30。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述周期性介質(zhì)表面的剖面的形狀為三角形、梯形或圓弧形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁場(chǎng)的回旋頻率Ω滿足Ω= (I?2)ω，其中，ω為微波角頻率。
【文檔編號(hào)】H01P1/08GK104393372SQ201410632331
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】常超, 李爽, 孫鈞, 郭樂(lè)田, 武曉龍, 謝佳玲 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所