在橫磁電磁場模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種在橫磁電磁場模式下抑制介質(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，確定磁場的回旋頻率，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)磁場的回旋頻率，在介質(zhì)表面施加磁場，介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，磁場滿足：磁場的磁力線平行；磁場的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；磁場的方向垂直于橫磁電磁場模式的法向電場方向、平行于橫磁電磁場模式的切向電場方向以及平行于介質(zhì)表面。本發(fā)明的方法通過采用周期性介質(zhì)表面，并在周期性介質(zhì)表面施加磁場的手段，使得在不同電場條件下，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，并且隨著電場場強的提高，抑制效果更好。
【專利說明】在橫磁電磁場模式下抑制介質(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100MW,頻率在IGHz?300GHz范圍內(nèi)的電磁輻射。HPM在科研、民用和國防領(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介質(zhì)表面進行處理，國內(nèi)外研究者如日本KEK學(xué)者通過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)有的對介質(zhì)表面進行處理的技術(shù)存在的問題是: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)表面的微波電場的切向電場分量引發(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，周期性表面對垂直于介質(zhì)表面的微波電場的法向電場分量導(dǎo)致的二次電子倍增沒有抑制、反而有增強作用。
[0005]通過諧振磁場可以抑制介質(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，對于同時具有微波電場的切向電場分量和法向電場分量的電磁波情況，例如橫磁電磁場模式(TM模式)，諧振磁場難以同時垂直于兩個電場分量,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)問題是在橫磁電磁場模式下，現(xiàn)有的抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的技術(shù)無法抑制二次電子倍增的問題。
[0007]為此目的,本發(fā)明提出一種在橫磁電磁場模式下抑制介質(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，確定磁場的回旋頻率，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)所述磁場的回旋頻率，在介質(zhì)表面施加磁場，所述介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，所述磁場滿足:磁場的磁力線平行；磁場的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；磁場的方向垂直于橫磁電磁場模式的法向電場方向、平行于橫磁電磁場模式的切向電場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)明的在橫磁電磁場模式下抑制介質(zhì)表面二次電子倍增的方法通過采用周期性介質(zhì)表面，并在周期性介質(zhì)表面施加磁場的手段，使得在不同電場條件下，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，并且隨著電場場強的提高，本發(fā)明的方法對介質(zhì)表面二次電子的倍增的抑制效果更好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1示出了一種在橫磁電磁場模式下抑制介質(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)表面在不同電場條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時間t/T的變化結(jié)果對比；
[0019]圖5(a)?(d)不出了施加不同切向磁場的平面介質(zhì)表面在不同電場條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時間t/T的變化結(jié)果對比；
[0020]圖6(a)?(d)不出了施加不同磁場的平面介質(zhì)表面與周期性介質(zhì)表面在不同電場條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時間t/T的變化結(jié)果對比。

【具體實施方式】
[0021]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0022]如圖1所不,本實施例公開一種在橫磁電磁場模式下抑制介質(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，確定磁場的回旋頻率Ω，磁場的回旋頻率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)磁場的回旋頻率,在介質(zhì)表面施加磁場,其中，介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，磁場滿足以下三個條件:
[0025]磁場的磁力線平行；
[0026]磁場的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；
[0027]磁場的方向垂直于橫磁電磁場模式的法向電場方向(即微波電場的法向電場分量En的方向)、平行于橫磁電磁場模式的切向電場方向(即微波電場的切向電場分量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)微波波長確定，可使周期性介質(zhì)表面的周期尺寸小于微波波長的1/30。周期性表面能改變電子的軌跡、渡越時間和能量。
[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)，施加的磁場均勻，圓柱的直徑>35cm，本實施例中，周期性介質(zhì)表面的剖面的形狀為三角形。施加在介質(zhì)表面的磁場結(jié)合微波電場Erir,在ErtXB作用下共同加速電子,并控制電子的渡越時間τ，使得電子的渡越時間τ滿足τ〈Τ/2，Τ為微波的周期，B為磁場的磁感應(yīng)強度，由于磁場的回旋頻率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)。磁場回旋頻率Ω決定了電子的渡越時間τ，電子的渡越時間τ基本不隨微波電場強度變化。不失一般性，t =O時刻，當(dāng)三角形的第一面發(fā)射電子時，法向電場力Fn*向向上(與圖2中微波電場的法向電場分量En的方向相反，圖2中虛線z表示垂直于紙面的軸)、切向電場力Ft方向向左(與圖2中微波電場的切向電場分量Et的方向相反)。經(jīng)過電子的渡越時間τ后，當(dāng)發(fā)射電子碰撞相鄰三角形的第二面時，τ〈Τ/2,法向電場力Fn*向向上,切向電場力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，實現(xiàn)二次電子發(fā)射產(chǎn)額小于I，這段時間持續(xù)了 t e (Τ/2- τ，Τ/2)。之后t>T/2，法向電場力匕方向向下，切向電場力Ft方向向右，經(jīng)過電子的渡越時間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，在時間t e (T/2+τ，T),法向電場力Fn方向保持向下，切向電場力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，實現(xiàn)二次電子發(fā)射產(chǎn)額小于I。經(jīng)過上述過程，實現(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)電磁場模式下,通過在介質(zhì)表面施加磁場抑制抑制介質(zhì)表面二次電子倍增，顯著不同于僅存在切向電場的微波電場Ert的介質(zhì)表面二次電子倍增。因為在僅存在切向電場的微波電場Erf作用下，電子諧振加速獲得能量ε e,實現(xiàn)ε ε 2，ε 2為第二交叉點，且電子的渡越時間τ?T，T為微波周期；對于存在法向電場、且切向電場和磁場方向平行的微波電場Erf情況，是通過改變電子的渡越時間τ，使τ滿足τ〈Τ/2，這樣，當(dāng)電子碰撞介質(zhì)表面時，二次電子受到強回復(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S1，即ε ，實現(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，施加的磁場對二次電子倍增的影響可通過3-D PIC軟件來模擬。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e2Erf(l2/mco2歸一化。橫坐標為計算時間對微波周期(0.08ns)的歸一化，縱坐標為介質(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)表面在不同電場條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時間t/T的變化結(jié)果對比，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En = 0.65MV/m,切向電場Et = 1.10MV/m ;圖4 (b)的法向電場En = 1.94MV/m，切向電場Et = 3.35MV/m ;圖4 (c)的法向電場En = 3.20MV/m,切向電場Et=5.57MV/m ;圖 4 (d)的法向電場 En = 5.76MV/m,切向電場 Et = 10.0MV/m。
[0034]可以看出，通過周期性介質(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的平面介質(zhì)表面在不同電場條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時間t/T的變化結(jié)果對比。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Bt = 0.1Tesla......”代表平面介質(zhì)表面施加磁場Bt
=0.3Tesla 一.—”代表平面介質(zhì)表面施加磁場Bt = 0.5Tesla。
[0036]圖5 (a)的法向電場En = 0.65MV/m,切向電場Et = 1.1 OMV/m ;圖5 (b)的法向電場En = 1.94MV/m，切向電場Et = 3.35MV/m ;圖5 (c)的法向電場En = 3.20MV/m,切向電場Et=5.57MV/m ;圖 5 (d)的法向電場 En = 5.76MV/m,切向電場 Et = 10.0MV/m。
[0037]施加磁場對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)在較小的電場條件下(即圖5 (b)的En = 1.94MV/m條件)。當(dāng)電場強度增強時，施加磁場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的平面介質(zhì)表面與周期性介質(zhì)表面在不同電場條件下倍增的二次電子電荷密度隨歸一化時間t/T的變化結(jié)果對比。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Bt = 0.1Tesla,"……”代表周期性介質(zhì)表面施加磁場Bt = 0.3Tesla, “一.一”代表周期性介質(zhì)表面施加磁場Bt = 0.5Tesla。
[0039]圖6 (a)的法向電場En = 0.65MV/m,切向電場Et = 1.1 OMV/m ;圖6 (b)的法向電場En = 1.94MV/m，切向電場Et = 3.35MV/m ;圖6 (c)的法向電場En = 3.20MV/m,切向電場Et=5.57MV/m ;圖 6 (d)的法向電場 En = 5.76MV/m,切向電場 Et = 10.0MV/m。
[0040]通過圖6(a)?(d)可以很明顯地看出，同時采用周期性介質(zhì)表面和施加磁場方法，在各個電場條件下都能夠?qū)Χ坞娮拥谋对銎鸬揭欢ǖ囊种菩Ч?。而且，很明顯，隨著場強的提高，該技術(shù)對二次電子的倍增的抑制效果更好。
[0041]通過對比圖5(d)和圖6(d)，可以看出，在高電場場強條件下，單獨依靠施加磁場來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]通過對比圖5(b)和圖6(b)，可以看到，在這個電場場強條件下，如果只是施加磁場來抑制二次電子的倍增，磁場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，確定磁場的回旋頻率，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)所述磁場的回旋頻率，在介質(zhì)表面施加磁場，所述介質(zhì)表面為周期性介質(zhì)表面，所述磁場滿足:磁場的磁力線平行；磁場的回旋頻率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)均勻；磁場的方向垂直于橫磁電磁場模式的法向電場方向、平行于橫磁電磁場模式的切向電場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】H01P1/08GK104393372SQ201410632331
【公開日】2015年3月4日 申請日期: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, 郭樂田, 武曉龍, 謝佳玲 申請人:西北核技術(shù)研究所