[发明专利]一种高功率容量的栅格化介质透镜及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的用作微波输出窗的一种栅格化介质透镜，尤其是一种工作在高功率容量的栅格化介质透镜。

背景技术

近年来，高功率微波(高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～100GHz之间的电磁波)在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，高功率微波已在能源、医疗、环境保护等民用和军事等领域提出了较多的应用。

高功率微波的应用需求决定了高功率微波技术朝着高峰值功率、高平均功率、长脉冲、高重复频率、高效率发展。其最终目的是要提高微波的输出能力，包括能量输出能力和功率输出能力。然而，要达到这样的发展目标，需要解决许多相关问题，强场条件下发射天线输出窗的击穿问题是导致高功率微波系统输出效率、功率降低、脉冲缩短的一个重要原因。为了有效解决这一问题，各国学者提出了许多方法，作出了许多有益的探索，如优化输出窗几何结构、选择合适的输出窗材料、对输出窗进行表面处理(清洗输出窗表面、烧氢烘烤、电抛光高压水清洗表面、镀膜等)、外加磁场等。

次级电子发射是导致输出窗口介质击穿的重要原因，优化输出窗口介质结构的目的就是抑制次级电子发射，改善输出窗击穿阈值。M.Pivi等人从理论和实验上研究了人为沟槽金属表面(即在金属表面人为刻蚀沟槽)对于次级电子产生率的影响【M.Pivi,F.K.King,R.E. Kirby.Sharp reduction of the secondary electron emission yield from grooved surfaces[J].J.Appl. Phys.2008,104:104904.】。虽然M.Pivi等人研究的对象是金属，金属并不能用作输出窗材料，但是其研究所得出的不同结构对于次级电子发射的抑制作用的结论对于介质具有借鉴意义。他们考虑了两种类型的沟槽，如图1所示，一种是角度为α的三角形，另一种是凹槽厚度为 t，宽度为a，深度为h，周期为b的矩形沟槽。

计算机仿真的结果表明，可以通过在真空室的表面使用凹槽来抑制次级电子产生率。抑制的程度取决于样品的参数：对于三角形凹槽，参数就是角度α；对于矩形凹槽，参数就是 h/a和a/t。具体结论为：对于三角形凹槽，角度越小，次级产生率越低，原因是倾斜表面限制了电子聚集在一起的概率。同时发现有效次级电子产生率不取决于三角形凹槽的尺寸，而只是角度α的函数。同时发现减小矩形凹槽次级电子产生率，可以通过大的深度周期比h/a 和大的宽度厚度比a/t来实现。

他们加工和测试了斜凹槽(图2)和矩形凹槽(图3)表面。斜凹槽(图2)的样品斜槽的角度为20°，槽尺寸为深度h＝1.0mm，宽度a＝0.35mm，厚度t＝0.05mm。图3展示了一个矩形凹槽样品，凹槽样品深度h＝5.0mm，宽度a＝1.8mm，厚度t＝0.25mm。测量是在无磁场区域完成的，结果表明斜凹槽样品的次级电子产生率几乎是平坦表面的一半，矩形凹槽表面的次级电子产生率降低了60％，实验和仿真很好的吻合。

国内西北核技术研究所的常超等人在理论和实验上研究了周期锯齿形表面和矩形凹槽对真空倍增效应的影响，实物如图4所示。首先常超等人分别从理论和实验上研究了周期锯齿形表面对真空倍增效应的影响【C.Chang,G.Z.Liu,H.J.Huang,et al.Suppressing high-powermicrowave dielectric multipactor by the sawtooth surface,Phys.Plasmas.2009,16(8):083501.】。他们运用动力学分析和粒子模拟仿真来分析具有不同倾角和高度的周期等腰三角形表面上电子撞击的能量和倍增过程。研究表明：随着倾角的增加，射频电场的切向分量减小，法向分量增大，传输时间减小，撞击能量显著减小，从而抑制了倍增效应。因此，周期等腰三角形表面能有效抑制倍增效应。如果倍增效应被抑制到一定的程度，击穿阈值将会显著增大。他们使用二维粒子模拟仿真研究了具有不同倾角、高度和周期的等腰三角形，发现对于倾角为 22.6°，周期为4mm，倍增效应被缓慢抑制到一定程度。对于倾角为45°，周期为2mm，处于较高速度的倍增电子消失，倍增效应能够被有效抑制。他们进行了具有微秒脉冲长度的S波段高功率微波电介质击穿实验。实验最终证实：相对于平面而言，随着倾角从22.6°增加到45°，具有足够大倾角(比如45°)的周期锯齿形表面能够有效提高两倍的击穿阈值。