虚阴极振荡器“硬管化”实验研究

第18卷 第6期强激光与粒子束
V o l .18,N o .6
2
006年6月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S
J u n .,2006
文章编号: 1
001-4322(2006)06-0969-03虚阴极振荡器“硬管化”实验研究
*
王晓东, 范植开, 孟凡宝, 于爱民, 张运俭, 罗 雄
(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900
) 摘 要: 采用锆泵作为吸气泵,设计出静态保真空模拟实验装置。

在该实验装置上进行了保真空可行性实验,装置在经过10d 的保真空后,真空度为1.4×10-3P a 。

在模拟保真空实验成功实现的基础上,用常规微波管技术设计加工了“硬管”器件,并进行保真空实验,静态下真空度经过15d 仍能维持在2×10-2P a 。

该器件在峰值电压为330k V 的条件下,输出微波功率达到650MW ,脉宽为40n s ,主频为3.68G H z ,性能比普通器件有很大改善,微波脉宽更宽,频谱更单一,而且稳定性很高。

关键词: 高功率微波; 虚阴极振荡器; 保真空; 硬管 中图分类号: T N 752 文献标识码: A
近十年来,
高功率微波(H P M )的发展把重点放在表面处理技术与高真空技术上,常采用高级模拟和诊断技术来优化H P M 器件的设计[
1]。

同时,高功率微波源也在向实用化方向发展[2]。

硬管概念来源于常规微波管,在微波真空电子工业(MV E )
中,定义为高真空超洁净器件[3]。

目前常规微波管的表面处理技术和高真空技术已经被广泛引入高功率微波领域。

文献[4]报道硬管技术用于M I L O 可有效抑制微波输出脉冲缩短现象和提高了微波功率。

同轴虚阴极振荡器(V C O )
是GW 级低阻抗空间电荷器件,它有结构简单、不需外加磁场的优点,并且能产生比较高的功率,是一种更容易向实用化发展的微波源[
5]。

要实现微波源的实用化,应该采用新材料、新结构、新封接技术及保真空技术,以摆脱对庞大的真空维持系统的依赖,最终实现静态保真空,并且还需提高器件内的真空度,向硬管方向发展。

1 保真空模拟实验
实验器件内的真空腔体积约为2
5L ,从理论上计算,在不使用任何吸气泵的情况下,真空度从初始的1×10-4P a 下降到2×10-2P a 所需要的时间和总漏率(
包括系统表面的漏、放气在内)的关系见图1。

F i g .1 V a c u u mh o l d i n g t
i m e v s l e a k r a t i o 图1 不同漏率下的保真空时间
图1给出了系统总漏率从1×1
0-4P a ·L ·s -1
到3×10-8P a ·L ·s -1
所对应的保真空时间,右上角的小图给出系统总漏率从1×10-4P a ·L ·s -1
到1×10-6P a ·
L ·s
-1
所对应的保真空时间。

从该图可以看出,如果不用吸气泵,在系统总漏率约为10-5P a ·L ·s
-1
的情况下,系统真空度能维持1×10-2P a 的时间不到1h 。

所以我们必须选用吸气泵,而且可用的吸气泵体积要小,吸气速率也要尽量大一些。

备选的小泵有两种:钛泵和锆泵。

钛泵必须在一直通电条件下才能工作,锆泵则只需通电将其激活,然后在断电情况下可以工作较长时间直至锆泵吸气饱和(即所谓“中毒”)。

为脱离市电以实现器件的实用化,故选择锆吸气泵来维持静态真空。

目前,
实际H P M 源应用的材料通常是铝导体和塑料绝缘体,由于只是在室温下清洁,部件之间的连接多采用橡胶圈密封方式,这决定了典型的H P M 源的真空度不会太高,更不能用于静态真空维持。

模拟装置如图2所示,用无磁不锈钢(1C r 18N i 9T i
)作为金属外壁,采用全金属密封。

装有两只锆泵,每只锆泵的吸气总量为7P a ·L 。

无磁不锈钢(1C r 18N i 9T i )经过1h 烘烤后出气率为10-1
1P a ·L ·s -1
·c m -2;放气存在饱和现象,*收稿日期:2005-12-29; 修订日期:
2006-03-22基金项目:国家863计划项目资助课题
作者简介:王晓东(1981-),男,在读硕士,主要从事高功率微波器件研究;w a n g
x d 713@y a h o o .c o m.c n 。

25h 后,放气率更低。

装置内为真空腔,为使模拟实验更接近真实实验条件,将实验用阴极筒放入腔内。

装置经过48h200℃烘烤,激活锆泵,然后关闭分子泵阀门,停止抽真空。

系统内真空度随时间的变化曲线如图3所示。

经过10d 后装置内的真空度为1.4×10-3P a 。

根据曲线的变化趋势,装置内的真空度将在165d 后变为2×10-2P a 。

由此可知,
利用锆泵来维持真空是可行的。

F i g .2 S i m u l a t i o ne q u i p
m e n t 图2
模拟实验装置
F i g .3 P r e s s u r e v s v a c u u mh o l d i n g t
i m e 图3 真空度随时间的变化曲线
2 保真空器件实验设计及结果
在模拟装置保真空实验成功的基础上,我们设计并加工了保真空器件装置,包括陶瓷绝缘子二极管、阴极筒、阳极网和陶瓷天线输出窗。

在设计中,将常规微波管技术引入H P M 设计,采用电渣重熔的无磁不锈钢(1C r 18N i 9T i
)作为金属外壁,部件之间采用O 型无氧铜垫圈进行密封。

金属腔内壁采用喷玻璃丸强化处理,天线输出窗和二极管绝缘子采用95陶瓷,金属与陶瓷部件之间采用铜焊金属化连接。

这些措施对真空度的提高和维持起到了重要的作用。

经实验证明,平绒阴极在长时间高温烘烤后其发射阈值会降低,在较低电压下就开始发射电子,但在同样的电压下,电子束流明显减小,发射能力降低。

因此,装置在进行保真空实验时,只加热到100℃并烘烤48h 。

保真空实验结果如图4所示。

F i g .4 E x p e r i m e n t a l r e s u l t o f t h e a p p a r a t u s f o r v a c u u mh o l d i n g
图4 器件保真空实验结果
F i g .5 V o l t a g ew a v e f o r mo f p u l s e dv o l t a g
e s o u r c e 图5 脉冲电压源电压波形
微波辐射的脉宽受阳极与阴极等离子体的形成和运动所限。

阳极等离子体的形成缘于高密度的电子束流
与阳极网的相互作用,以及虚-实阴极之间反射电子和阳极表面的反复作用。

当阳极等离子体向阴极方向传输时,二极管间隙将缩短而闭合,同时虚阴极处空间电荷发生中和,从而削弱了振荡,最终导致微波产生终止[
1]
,脉冲缩短。

另外,阴极爆炸发射过程中形成的等离子体也会导致脉冲缩短,所以阴阳极间的等离子体对微波输出有强烈的影响。

保真空器件提高了器件内的真空度,同时由于长时间的加热烘烤和器件内部表面清洁度的提高,阳极网在受到阴极发射出的电子的轰击时放气量将更小,阴阳极间形成的等离子体也就更少。

此外,器件内壁进行的强化处理使金属表面的微观突起和尖端减少,由此也减小了真空放电产生等离子体的概率。

阴
阳极间等离子体闭合的时间变长,从而有效地抑制了脉冲缩短和阴阳极间真空击穿,更有利于微波的产生[2]。

将保真空器件应用于脉冲电压源装置上并进行实验,所得电压波形如图5所示。

与普通器件相比,保真空器件微波源产生的微波的功率和稳定性更高,同时阴阳极间不再发生击穿。

在二极管峰值电压为330k V 的
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第18卷
条件下,采用面积分测量得到微波峰值功率达到650MW,微波脉宽为40n s,输出微波检波波形如图6所示,其中通道1～3分别为0º,10º和20º处天线的测量结果。

通过T E K7404示波器采集微波时域信号,使用A u-t o s i g n a l7.0进行F F T变换,得到频谱图如图7所示,从该图可以看出,频谱更单一,主频率为3.67G H z。