高功率微波传输通道击穿诊断研究

・高功率微波源・　高功率微波传输通道击穿诊断研究　常　超　，郭乐田　，孙　钧　，魏福利　，周海生　，刘彦升　，曹亦兵　，曾　鹏　，王东阳　，谢　晋　（１．西北核技术研究所高功率微波技术重点国家级实验室，陕西西安７１００２４；　２．西安交通大学　电子物理与器件教育部重点实验室，陕西西安７１００４９）　

Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　

ＣＨＡＮＧ　ｃｈａｏ　，ＧＵＯ　Ｌｅ—ｔｉａｎ　，ＳＵＮ　Ｊｕｎ　，ＷＥＩ　Ｆｕ—ｌｉ　，ＺＨＯＵ　Ｈａｉ－ｓｈｅｎｇ　，　ＬＩＵ　Ｙａｎ—ｓｈｅｎｇ　，ＣＡＯ　Ｙｉ—ｂｉｎｇ　，ＺＥＮＧ　Ｐｅｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｄｏｎｇ—ｙａｎｇ　，ＸＩＥ　Ｊｉｎ　（１．Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｕｅｒ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　

．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００２４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘ　ａｎ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｖａｃｕｕｍ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ（ＨＰＭ）ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎ　ｓｔｒｏｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ＨＰＭ　ｓｙｓｔｅｍｓ。ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ａｎ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ　ｉｎ　ＨＰＭ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｐｌａｓｍａ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ　ａｎｄ　ｇｉｇａ—ｗａｔｔ　ＨＰＭ　ｐｕｌｓｅ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｆｏｕｒ—　ｆｒａｍｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ　ｃｈａｒｇｅ—ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ｔｕｂｅ，ｔｅｍｐｏｒａｌ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｒｕｌｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｍａ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ｌｉｇｈｔ　ａｎｄ　Ｘ—ｒａｙ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｉｎｔｅｎｓｅ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ｌｉｇｈｔ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ　ｉｎ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ　ＨＰＭ　ｐｕｌｓｅ．Ａ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｐｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｂｅａｍ　ｏｆ　ＨＰＭ　ｓｏｕｒｃｅ　ｂｏｍｂａｒｄｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｗｈｉｃｈ　ｇｅｎｅｒａｔｅｓ　ｃｏｎ—　ｔｉｎｕｏｕｓ—ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｐｈｏｔｏｎｓ　ｂｙ　Ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｎｓ　ａｒｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｒｉｇｈｔ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ｌｉｇｈｔ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ｔｕｂｅ，ｔｈｅ　Ｘ—ｒａｙ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈ　ＰＭ　ｓｏｕｒｃｅ　ｗａｓ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　Ｘ—ｒａｙ　ｏｎ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ－Ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ，Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　

摘要：高功率微波（ＨＰＭ）器件在强电磁场作用下的击穿是限制ＨＰＭ系统功率容量的主要因素之一，是ＨＰＭ技术进步　的瓶颈和国际性的技术挑战。本文开展了纳秒脉冲宽度、吉瓦高功率微波传输通道内击穿发光诊断实验，通过纳秒级响应的　四分幅ＩＣＣＤ相机和光电倍增管研究了等离子体可见光和ｘ射线发射的时间及空问发展规律。实验发现ＨＰＭ通道在传输　纳秒微波脉冲时有大量可见光，可能的原因是ＨＰＭ源的乏电子束轰击收集极的金属表面轫致辐射连续谱的光子在波导内多　次反射的结果。通过光电倍增管探测了微波源Ｘ射线幅度分布，确认了收集极存在较高能量ｘ射线的结果。　关键词：高功率微波；传输通道；击穿；诊断　中图分类号：ＴＮ０１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—８９３５（２０１５）０２—００１３—０５　

高功率微波（Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，ＨＰＭ）是　指峰值功率超过１００　Ｍｗ，频率３００　ＭＨｚ～３００　ＧＨｚ的电磁辐射Ⅲ。ＨＰＭ在科研、民用和国防领　域具有非常广阔的应用前景。如何获得高功率的微　波输出是高功率微波技术进步的关键，也始终是世　界ＨＰＭ研究的热点和科技前沿。随着ＨＰＭ源产　生功率的不断提高，ＨＰＭ源和传输设备在强电磁　场作用下的击穿成为限制ＨＰＭ系统功率容量的决　定性因素之一，是ＨＰＭ技术进步的瓶颈和国际性　的技术挑战　。提高ＨＰＭ击穿阈值的途径已成　

２０１５－０２　１　光电倍增管前加７　ｃｍ厚铅砖，Ｘ射线幅度进一　步变小，如图７（ｃ）所示，通过７　ｃｍ厚铅砖仍能测到　ｘ射线，表明其峰值能量在１　ＭｅＶ量级。随着注入　功率的提高，峰值从０．５４４提高到０．８５６　Ｖ，半高宽　约２２并保持不变。从图７可以分析得出，Ｘ射线峰　值能量可达１　ＭｅＶ、脉宽与微波脉宽相当。　

－　’　。　：　●　。　一　。。一１　．　１　ｇ＿ｌ】Ｚｌｉ¨ｌ１．｜ｍ￣　．４．１ｉＯ∞Ｏ　ｒｌ￣∞　，．　…一　：—、　●　：　，　。　

÷　，　“～　：　＿一…一一一…‘一　ｌ　ｌ一－　ｉｍ４，器　。　０Ｎ　Ａ］［￣ｇ０１ＭＡ３１Ｌ０１ｎＶ　、　、　誊　．　＼。．　¨＿．：　： ｌ。　１一　通道】　，　／一

删　一；　．　…　…一　ｌｌ＿＿　。　‘　一　一１＿＾●－－＾　＾－－ｖ　

ｉ．　・　＼　，　。一．　一　＿　

＿…’　…：　’＼　。。　：　’　＼　

３　：　。　

Ｉ…１　ｖ口ｉ　口ｑｍｖ　ｉ　１・…ｖ　……Ｉ●ｑ　ｔ　ｌｌ　ｓ●％　，社ＩＩ－、一ｓ洲ｌ　∞Ｖ　ｓ８　０　－ｌ＿……Ｉ　口ｍ　Ｉ……～　勰ｌＩ薯８锻Ｉｌ　褊　—螫ｉ　Ｉ　４　ＩＩ　ＩＩ・一ｌ　Ｉ矗Ｉ’嚅　

（ａ）加２．５　ｃｍ厚铅硅　

”　．　．　一　．．１　２　Ｊ：　壶繇　．’－　－＼湎　、：　［，，一　．　－　

通道２　’　一　、　－　’　．　，　。　～　ｆ　

’｝、　、　通道２　＼　

—一’ｒ一一　一弋　．Ａ　一．　：　ｌ　

Ｉ　Ｉ　＿￣　商　一。　一　、　．＼通道３　、　

Ｉ　。　・　ｉ　Ｖ＿　ｙ　。　

．。０’　

０＿ｌ＿　＿　

．　：　１　ｉ，－　…ｖ　ｉ　１∞ｖ　ａ￣ｌ１４“●憎　ｌ　ｒｓ．Ｏ“　．廿　Ｉ　－、一ｓ砷●　ｌｉ　●■　ｉ　５●●●ｗ　．１．　．Ｉ＿∞ｖ口’Ｊｌ４口．●啊　Ｉｊ，．啊ｑ　，　Ｉｌ　－、一，●■吖　－鼹－０箍ｌ虢０一一Ｉ蠕　ｊＩ婚ｌ—　！　Ｊ　Ｉ翟盟，　ｊ　墼！＿ＪＩ墼　墼ｌ竺竺　盈　蛰《！！竺Ｉ匮　

（ｂ）加４，５　ｃｍ厚铅硅　

…一　……．．　．一…一；一　ｉＡ　。¨ｌ　Ｉ＾。Ⅲ二ｖ　ｌ　

Ｌ　一ｉ一一　一一一　｝－ｒ　：　

，　．

／。　一　

二　．二二　｝厂　＼’　。　。　一　一．　’　＿■　一一、１　

Ｉｆ　ｉ酊苴Ｉ　－　通道３　‘　

、ｊ勘苴１、　／／　。　ｌ　ｌ＿　７　

●ｎ■　。＼÷　／，　超越　ｆ／　三　９　＼　２　

～　：　。　＼＼　毳　ｌ　ｉ。　１　：　｛　

‘　４　

：　．　ｔ：　．　｝　‘　

ｆ　‘　±　。　：　：　

＾　．　｛　：　：　．　＿　

－￥ｏｏｍｖ　－１　０●ｖ　ａ～＿ｌ＿Ｏｉｌ　Ｖ　Ｑｌ１］Ｉ．．ｗｔ　Ｉ１ｓ．ＯＯ嗽，　Ｉｌ　－、４ｌｌｉｌｎｖ　ｉ　２ＯＯｌ１￣　－ＳＯ●ｍｖ　＿ｌ¨ｖ　ａ　Ｉ　ｖ　ＱｉｌｌＩ●●●幅　¨ｌ¨Ｂ捉，　¨０、一　掰ＩＩ薯　量熹ｌｌ　０一　ｌ　ｌ蕊ｌ　蕊　赫０薯Ｉｌ畿Ｉ　ｌ一　ｌ门阳　藤甄　

（ｃ）加７　ｃｍ厚铅硅　

图７　不同微波功率下ｘ射线、ｘ射线与可见光混合和分幅相机的快门信号变化规律　调整探测器位置，将探测器移到正对收集极（整　个小推车移至收集极前），倍增管前加５．３　ｃｍ铅砖。　测得ｘ射线峰值０．７　Ｖ，半宽１２．５　ｎｓ。将小车转动　约４５。，使倍增管前端正对弯波导处，则不能触发，　固　曼二　说明ｘ射线被屏蔽，因此可以判断Ｘ射线主要来自　收集极，可能的原因是ＨＰＭ源的乏电子束轰击收　集极的金属表面发生轫致辐射，高能ｘ射线穿透金　属壁向自由空间辐射，而低能光子在波导壁内多次