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)重點實驗室,西安　710024)

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高功率微波源中強(qiáng)場擊穿機(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)重點實驗室,西安710024)

摘要：為了研究高功率微波源中強(qiáng)場擊穿的“陰極”和“陽極”效應(yīng)，基于無箔二極管，設(shè)計了相應(yīng)的實驗方案。實驗中，在金屬表面最大電場強(qiáng)度約為1.2 MV·cm-1、導(dǎo)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(xiàn)對于數(shù)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(jié)構(gòu)損傷，在強(qiáng)外加引導(dǎo)磁場約束下，強(qiáng)場致發(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)場擊穿；爆炸發(fā)射；陽極效應(yīng)

強(qiáng)場擊穿廣泛存在于脈沖功率驅(qū)動源、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(qiáng)場擊穿問題，已經(jīng)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(yīng)等[1-3]。高功率微波源中，強(qiáng)電磁場問題大多涉及強(qiáng)流相對論電子束、強(qiáng)外加引導(dǎo)磁場、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)場發(fā)射電子在射頻場中獲取能量后，在強(qiáng)外加引導(dǎo)磁場約束下，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，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)場側(cè)(～1 MV·cm-1)受損情況明顯不如弱場側(cè)(～500 kV·cm-1)嚴(yán)重，慢波結(jié)構(gòu)和提取腔內(nèi)的實驗結(jié)果也呈現(xiàn)出了類似的特點，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)場側(cè)的場致發(fā)射電子在射頻場中獲取能量，并在外加引導(dǎo)磁場約束下，以較為集中的能量轟擊對側(cè)金屬壁是引起結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)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(qiáng)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(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實驗方案設(shè)計

為了檢驗“陰極”和“陽極”破壞效應(yīng)，本文基于無箔二極管設(shè)計了相應(yīng)的實驗方案，主要考慮如下：1)在高壓穩(wěn)恒電脈沖驅(qū)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(nèi)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(jié)構(gòu)表面的燒蝕破壞；2)將強(qiáng)場側(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云圖,圖4為沿引桿表面的電場強(qiáng)度分布曲線,兩圖中A、B點一一對應(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。圖中對應(yīng)二極管工作電壓為500 kV，最大電場強(qiáng)度達(dá)到1 280 kV·cm-1，可以達(dá)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(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，可以實現(xiàn)陰極引桿表面最大電場強(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，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(qiáng)度以及外沿電子發(fā)射對內(nèi)側(cè)場的屏蔽效應(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(shè)計結(jié)果，建立了相應(yīng)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(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(jié)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(dǎo)致局部場增強(qiáng)因子較低的緣故，不同工作電壓和電流下，實驗波形呈現(xiàn)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?shù)絉ogowski線圈位置時，線圈感應(yīng)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(qiáng)度約為1 MV·cm-1)。由于高功率微波源高頻結(jié)構(gòu)表面對應(yīng)的最大射頻電場強(qiáng)度低于該陰極表面直流電場強(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(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“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)場擊穿條件下受損嚴(yán)重位置始終處于強(qiáng)場點對側(cè)的實驗現(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)場擊穿的“陰極”和“陽極”效應(yīng)，設(shè)計了相應(yīng)的實驗方案，研究結(jié)果表明，在金屬表面最大電場強(qiáng)度約1.2 MV·cm-1、導(dǎo)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(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)場側(cè)發(fā)射程度不如所設(shè)計的陰極嚴(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)。盡管本文中的實驗研究簡化到了無箔二極管中進(jìn)行，但其反映的實驗現(xiàn)象仍然可以為研究高功率微波源中的強(qiáng)場擊穿機(jī)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(xiàn)標(biāo)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(guān)領(lǐng)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(xué)基金資助項目(61401367)

收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-10-20