[发明专利]测试腔、HPM传输波导击穿实验装置及研究击穿问题的方法

说明书

鉴于对HPM源中的强电磁场真空击穿问题研究的必要性和击穿机理研究的困难，本发明提供了一种测试腔、HPM传输波导击穿实验装置以及利用该装置研究击穿问题的方法。其中测试腔包括两个相同的反射腔；反射腔的内腔为圆筒状，反射腔的半径r_a和宽度l_a满足当测试腔内注入TM₀₁模式的电磁波时，反射腔内激励起的电磁波为TM₀₂₀模式；沿反射腔轴向方向，反射腔内电场分布非对称，反射腔两侧场强幅值差至少为300kV/cm；两个反射腔通过第一直波导相连，两个反射腔之间的距离l_c为15‑25mm；两个反射腔的自由端分别连接有长度均大于50mm的第二直波导和第三直波导；第一、第二和第三直波导均为圆波导。

技术领域

本发明属于高功率微波传输技术领域，涉及一种高功率微波传输波导击穿实验装置及其测试腔以及利用该装置研究击穿问题的方法。

背景技术

随着高功率微波(High Power Microwave，HPM)源的输出功率逐步提高，HPM源内部及传输波导中易发生强电磁场真空击穿，导致HPM源输出功率下降、脉宽缩短，这限制了HPM源的功率容量，大幅降低了HPM源的可靠性和寿命，成为HPM技术进步的瓶颈。因此，开展对HPM源及传输波导中强电磁场真空击穿机理及抑制方法的研究十分迫切。

强电磁场真空击穿是指真空中由于种子电子诱导而在强电磁场作用下发展起来的一种等离子体放电现象，涵盖了种子电子产生、电子与强电磁场作用获取能量、电子与材料作用产生等离子体以及等离子体与微波作用的全过程。强电磁场真空击穿广泛存在于高能加速器和HPM源中，击穿导致的结构破坏和产生的等离子体极大地破坏了器件的工作稳定性，影响了器件的寿命。

目前，高能加速器中的强电磁场真空击穿问题已经得到了较为深入的研究，从上世纪90年代起，HPM源中的强电磁场真空击穿问题逐渐得到关注，关于其研究主要借鉴了高能加速器中的相关理论。但是HPM源微波脉冲短，电磁场功率密度高，高频结构是低Q腔，有强引导磁场，与高能加速器差异巨大，高能加速器中强电磁场真空击穿的相关理论无法完全适用于HPM源，因此开展针对HPM源中的强电磁场真空击穿研究十分必要。

由于HPM源高频结构内部环境复杂，例如相对论返波管(Relativistic BackwardWave Oscillator，简称RBWO)中存在轴向强引导磁场、二极管发出的强流相对论电子束等，且各高频结构的场分布不同，开展研究困难。

发明内容

鉴于对HPM源中的强电磁场真空击穿问题研究的必要性和击穿机理研究的困难，本发明提供了一种测试腔、HPM传输波导击穿实验装置以及利用该装置研究击穿问题的方法。本发明选择在传输波导段开展击穿研究，一方面可获得不同材料、不同表面态的击穿阈值，为HPM源内部和传输波导的击穿阈值提供参考，同时材料和表面态的击穿阈值规律研究可为提高击穿阈值提供支撑；另一方面可研究击穿中的电子发射和轰击过程，分析击穿基本机理。

本发明的技术解决方案是：

用于HPM传输波导击穿实验的测试腔，其特殊之处在于：所述测试腔为双微波腔，包括两个相同的反射腔；所述反射腔的内腔为圆筒状结构，反射腔的半径r_a和宽度l_a满足当测试腔内注入TM₀₁模式的电磁波时，反射腔内激励起的电磁波为TM₀₂₀模式；沿反射腔轴向方向，反射腔内电场分布非对称，反射腔两侧场强幅值差至少为300kV/cm；

两个反射腔通过第一直波导相连，两个反射腔之间的距离l_c为15-25mm；

两个反射腔的自由端分别连接有长度均大于50mm的第二直波导和第三直波导；

所述第一直波导、第二直波导和第三直波导均为圆波导。