一種提高高功率微波傳輸器件擊穿閾值的裝置及方法與流程
2023-05-28 15:37:51
本發明屬於高功率微波技術領域，具體涉及一種提高高功率微波傳輸器件擊穿閾值的方法。
背景技術：
高功率微波(HPM)在科研、民用和國防領域具有非常廣闊的應用前景。HPM產生、傳輸及發射系統的強電磁場擊穿，嚴重限制了系統的功率容量，已成為HPM技術進步的瓶頸和國際性的技術挑戰。特別的，HPM傳輸系統中的擊穿是HPM輻射功率的瓶頸。其中傳輸系統器件壁由於電子誘導逸出的氣體造成器件內氣壓升高，微波系統真空度降低，使等離子體密度雪崩增長是造成擊穿很重要的原因，詳見，常超，高功率微波系統中的擊穿物理，科學出版社，2016。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠提高高功率微波傳輸器件擊穿閾值的裝置。
本發明採用在波導內表面鍍吸氣劑膜的方法，以提高微波傳輸擊穿閾值，其原理是：吸氣劑膜可以在真空狀態下吸收微波系統內部被誘導逸出的氣體，防止微波系統的內部真空度降低，避免等離子體密度雪崩增長造成擊穿，提高微波傳輸擊穿閾值。
但是由於吸氣劑膜暴露在大氣中就會發生鈍化現象而失效，再用之前需要重新加熱激活，而吸氣劑膜的激活次數是有限的，多次激活會使吸氣劑膜永久失效，激活也會減弱吸氣劑膜的吸氣能力。現有的給波導內表面鍍膜的方法，在每次微波系統工作時都需要先對波導進行激活，非常耗時成本較高。更重要的是多次激活會減弱吸氣劑膜的吸氣能力，導致傳輸擊穿閾值降低。
本發明的技術解決方案是提供一種提高高功率微波傳輸器件擊穿閾值的裝置，包括圓波導，其特殊之處在於：上述圓波導內表面鍍納米多孔複合材料，上述納米多孔複合材料為TiaZrbVcHfd，其中a、b、c、d代表各組分的摩爾量，上述圓波導的兩端設置有活動閘板式真空截止閥，上述活動閘板式真空截止閥包括閘板及閥座，上述閘板的長度大於兩倍波導管的直徑，閘板的寬度大於(略大於)圓波導的直徑，閘板上部或下部設有與圓波導直徑相同的開孔，上述閥座上開有與圓波導直徑相同的通孔，上述閥座上設置有閘板槽，上述閘板插入閘板槽保持圓波導內部真空。上述閘板與閥座之間設置有密封裝置。活動閘板式真空截止閥使用活動式真空密封技術可以保持圓波導內部的真空狀態，避免了波導表面的納米多孔合金材料暴露大氣導致的鈍化，避免了納米多孔合金材料鈍化的反覆激活問題，延長波導表面的納米多孔複合材料在高擊穿閾值下的使用壽命。
當上述a:b:c:d＝1:1:1:1，吸附氣體能力更強。
為了能夠在閘板關閉條件下圓波導內部長期保持真空度，上述密封裝置包括分別設置在閘板兩側面與閥座之間兩個同心密封圈槽、設置在密封圈槽內的矽膠密封圈、填充在兩個同心密封圈槽之間的多層真空矽脂密封圈。
上述圓波導還包括設置在鍍膜(納米多孔複合材料)內側的薄金屬壁，上述薄金屬壁上設置有多個孔。
優選的，上述真空矽脂密封圈為3層，可以有效阻擋分子滲透。
為了便於閘板的提拉，上述活動閘板式真空截止閥上端還包括手柄。
為了保證閘板與圓波導的同心度，上述閘板槽兩側還設置有定位銷，同時可以減小閘板與其他零部件之間的摩擦及保證閘板在內外密封圈理想的懸浮狀態。
優選的，上述閘板的材料為不鏽鋼，閘板的厚度為2mm。
優選的，為了減小閘板運動過程中的摩擦力，上述閘板的光潔度為1.6。
本發明還提供一種提高高功率微波傳輸器件擊穿閾值的方法，包括以下步驟：
1)通過磁控濺射的方法在波導內表面生長沉積晶粒尺寸在百納米量級的多孔合金材料薄膜；所述多孔合金材料為TiaZrbVcHfd；
2)將多孔合金材料薄膜在真空背景下烘烤激活、重複頻率老練；
3)將該波導用於高功率微波實驗，在微波系統工作時，將微波源抽真空至10-2Pa，連接微波源與圓波導，打開閘板閥，使圓波導與抽真空的微波源聯通，整體保持高真空度；在微波系統不工作時，關閉閘板閥使圓波導繼續處於真空狀態，微波源會充氣處於大氣狀態。
本發明的有益效果是：
1、本發明裝置能夠在實驗中保持微波系統內部的高真空度，提高擊穿的閾值；
2、應用本發明裝置時，不用每次都激活圓波導內表面的納米多孔材料，節省時間並且維持納米多孔複合材料吸氣能力不減弱，間接的提高傳輸擊穿閾值。
附圖說明
圖1是雙閘板超真空截止閥的「通」狀態正面剖視圖；
圖2「閉狀態」截止閥剖視圖；
圖3是「通」狀態截止閥側面剖視圖；
圖4是「閉」狀態截止閥側面剖視圖；
圖5是圓波導內表面鍍納米多孔材料的示意圖，從內向外分別為多孔金屬壁、濺射材料、金屬壁。
圖中附圖標記為：1-閘板，2-閥座，3-開孔，4-通孔，5-外矽膠密封圈，6-內矽膠密封圈，7-真空矽脂密封圈，8-手柄，9-定位銷，10-多孔金屬薄壁，11-鍍膜，12-圓波導金屬壁。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明做進一步的描述。
本發明首先在圓波導內部金屬表面通過磁控濺射方法形成晶粒尺寸為百納米量級的成分為TiaZrbVcHfd的多孔合金材料薄膜，該納米多孔合金材料在真空背景下經過烘烤激活、重複頻率老練後，可減小高功率微波實驗中圓波導壁的二次電子發射產額，並可以吸收實驗中器件壁逸出的氣體，保持實驗中微波系統內部高真空度，阻止擊穿的發生，提高傳輸擊穿閾值。
由於納米多孔合金材料暴露在大氣中會吸附很多氣體而鈍化，鈍化後就需要在真空狀態下重新加熱鍍膜圓波導激活。但是納米多孔合金材料的激活次數是有限的，頻繁的激活會使材料的吸氣能力減弱，高功率微波系統傳輸擊穿閾值就會降低、壽命遞減。所以最好使鍍有納米多孔合金材料的圓波導不工作時也處於真空狀態，這樣再次使用時就不用重複激活，延長納米多孔複合材料的壽命。因此，考慮在圓波導兩端安裝活動閘板閥就可以讓圓波導在不工作時也處於真空狀態，避免納米多孔複合材料鈍化。在推拉閘板閥的時候使用動密封技術，該技術可以在閘板移動推拉時隔絕外界大氣進入微波系統，從而保持微波系統或圓波導中的高真空度，不會使傳輸器件擊穿閾值降低，換句話說就是間接提高了高功率微波傳輸器件擊穿閾值。
如圖1所示，為本發明雙閘板超真空截止閥在導通狀態時的正面剖視圖，閘板上的開孔與閥座的通孔重合，將圓波導與微波源連通。
活動閘板式真空截止閥的內(內直徑為55mm，外直徑61mm)、外(內直徑71mm，外直徑77mm)矽膠密封圈通過機械加工的方式加工到密封圈槽上，利用矽橡膠件耐磨，且壓縮性、氣密性、耐疲勞特性、高低溫特性都較好的特徵來實現密封，製作正壓可以達到12kg。在矽膠密封圈和閘板間通過機械加工的方式產生0.3mm的壓縮量，可以提供12kg的壓強。能夠在閘板閥關閉條件下長期保持圓波導內真空度。在矽膠密封圈與閘板之間加工三圈真空矽脂密封圈倉，每圈壓強可以達到15KG，可以有效阻擋分子滲透。在推拉閘板的動態條件下，三圈真空矽脂密封圈倉可以和閘板間形成一層薄的真空潤滑脂起到潤滑和分子級密封作用，阻止氣體分子從閘板進入，保持圓波導內部真空度。真空潤滑脂可以在推拉閘板的過程中減少摩擦以增長壽命。在閥座上還設置有定位銷，以保證閘板與波導管的同心度，同時減少閘板與其他零部件之間的摩擦，保證閘板在內外密封圈理想的懸浮狀態。
閘板採用不鏽鋼製作而成，具體材料為Cr1Ni18Ti9，厚度為1.9mm，寬度81.5mm，閘板基準邊精度為正負0.02mm，閘板表面的光潔度為1.6；閘板開孔(對接圓波導)直徑49.5mm，定位精度為正負0.05mm；閥座閘板槽長度99.5mm，寬度81mm，兩側各有5個M3螺絲，兩側有2個定位銷，位置精度為正負0.015mm；內矽膠密封圈內、外直徑分別為55mm、61mm；外矽膠密封圈內、外直徑分別為71mm、77mm。
在微波系統工作時，微波源已經抽真空到10-2Pa，連接微波源與圓波導，打開閘板閥，使圓波導與抽真空的微波源聯通，整體保持高真空度。在微波系統不工作時，微波源會充氣處於大氣狀態。而圓波導內部鍍有納米多孔複合材料，不宜暴露在大氣中，所以在微波源充氣之前關閉閘板閥使圓波導繼續處於真空狀態。因此再次使用圓波導時不用重新激活，避免納米多孔合金材料多次激活使吸氣能力減弱造成傳輸擊穿閾值降低。
如圖5所示，為圓波導內表面鍍吸氣劑膜的示意圖，其結構呈多孔金屬薄壁-鍍膜-金屬壁的「三明治」結構。本發明採用的吸氣劑，使脫附的氣體分子被吸附在孔隙之間。通過磁控濺射的方法在金屬表面生長沉積晶粒尺寸在百納米量級的多孔合金材料TiaZrbVcHfd(最優情況a＝b＝c＝d＝1)薄膜。這種材料可以把脫附的氣體分子吸附在孔隙之間，避免在納秒時間內很快的在金屬表面形成局部高氣壓。
為了防止與活性氣體分子發生作用，多孔狀合金材料在沉積過程中會在表面形成一層鈍化膜。所以在使用HPM真空器件之前，需要對器件表面的吸氣劑鍍膜進行激活。需要在真空背景、溫度150度以上連續24小時烘烤消除鈍化層，露出多孔合金材料表面而激活。