CN106848497A - 一种提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高击穿阈值的高功率微波传输装置及方法,装置包括一个内表面镀纳米多孔合金材料的圆波导,圆波导的两端设置有活动闸板式真空截止阀;圆波导内部镀有纳米多孔复合材料,可以吸附波导和微波系统中的气体、抑制高功率微波作用下表面等离子体形成,提高高功率微波系统击穿阈值。活动闸板式真空截止阀使用创新性的动真空密封技术可以保持微波系统或圆波导内部真空度,避免了内表面镀纳米多孔合金材料暴露大气导致钝化,避免了表面镀纳米多孔合金材料钝化反复激活问题,提高设备在高击穿阈值下的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域,具体涉及一种提高高功率微波传输器件击穿阈值的方法。
背景技术
高功率微波(HPM)在科研、民用和国防领域具有非常广阔的应用前景。HPM产生、传输及发射系统的强电磁场击穿,严重限制了系统的功率容量,已成为HPM技术进步的瓶颈和国际性的技术挑战。特别的,HPM传输系统中的击穿是HPM辐射功率的瓶颈。其中传输系统器件壁由于电子诱导逸出的气体造成器件内气压升高,微波系统真空度降低,使等离子体密度雪崩增长是造成击穿很重要的原因,详见,常超,高功率微波系统中的击穿物理,科学出版社,2016。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置。
本发明采用在波导内表面镀吸气剂膜的方法,以提高微波传输击穿阈值,其原理是:吸气剂膜可以在真空状态下吸收微波系统内部被诱导逸出的气体,防止微波系统的内部真空度降低,避免等离子体密度雪崩增长造成击穿,提高微波传输击穿阈值。
但是由于吸气剂膜暴露在大气中就会发生钝化现象而失效,再用之前需要重新加热激活,而吸气剂膜的激活次数是有限的,多次激活会使吸气剂膜永久失效,激活也会减弱吸气剂膜的吸气能力。现有的给波导内表面镀膜的方法,在每次微波系统工作时都需要先对波导进行激活,非常耗时成本较高。更重要的是多次激活会减弱吸气剂膜的吸气能力,导致传输击穿阈值降低。
本发明的技术解决方案是提供一种提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,包括圆波导,其特殊之处在于:上述圆波导内表面镀纳米多孔复合材料,上述纳米多孔复合材料为TiaZrbVcHfd,其中a、b、c、d代表各组分的摩尔量,上述圆波导的两端设置有活动闸板式真空截止阀,上述活动闸板式真空截止阀包括闸板及阀座,上述闸板的长度大于两倍波导管的直径,闸板的宽度大于(略大于)圆波导的直径,闸板上部或下部设有与圆波导直径相同的开孔,上述阀座上开有与圆波导直径相同的通孔,上述阀座上设置有闸板槽,上述闸板插入闸板槽保持圆波导内部真空。上述闸板与阀座之间设置有密封装置。活动闸板式真空截止阀使用活动式真空密封技术可以保持圆波导内部的真空状态,避免了波导表面的纳米多孔合金材料暴露大气导致的钝化,避免了纳米多孔合金材料钝化的反复激活问题,延长波导表面的纳米多孔复合材料在高击穿阈值下的使用寿命。
当上述a:b:c:d=1:1:1:1,吸附气体能力更强。
为了能够在闸板关闭条件下圆波导内部长期保持真空度,上述密封装置包括分别设置在闸板两侧面与阀座之间两个同心密封圈槽、设置在密封圈槽内的硅胶密封圈、填充在两个同心密封圈槽之间的多层真空硅脂密封圈。
上述圆波导还包括设置在镀膜(纳米多孔复合材料)内侧的薄金属壁,上述薄金属壁上设置有多个孔。
优选的,上述真空硅脂密封圈为3层,可以有效阻挡分子渗透。
为了便于闸板的提拉,上述活动闸板式真空截止阀上端还包括手柄。
为了保证闸板与圆波导的同心度,上述闸板槽两侧还设置有定位销,同时可以减小闸板与其他零部件之间的摩擦及保证闸板在内外密封圈理想的悬浮状态。
优选的,上述闸板的材料为不锈钢,闸板的厚度为2mm。
优选的,为了减小闸板运动过程中的摩擦力,上述闸板的光洁度为1.6。
本发明还提供一种提高高功率微波传输器件击穿阈值的方法,包括以下步骤:
1)通过磁控溅射的方法在波导内表面生长沉积晶粒尺寸在百纳米量级的多孔合金材料薄膜;所述多孔合金材料为TiaZrbVcHfd;
2)将多孔合金材料薄膜在真空背景下烘烤激活、重复频率老练;
3)将该波导用于高功率微波实验,在微波系统工作时,将微波源抽真空至10-2Pa,连接微波源与圆波导,打开闸板阀,使圆波导与抽真空的微波源联通,整体保持高真空度;在微波系统不工作时,关闭闸板阀使圆波导继续处于真空状态,微波源会充气处于大气状态。
本发明的有益效果是:
1、本发明装置能够在实验中保持微波系统内部的高真空度,提高击穿的阈值;
2、应用本发明装置时,不用每次都激活圆波导内表面的纳米多孔材料,节省时间并且维持纳米多孔复合材料吸气能力不减弱,间接的提高传输击穿阈值。
附图说明
图1是双闸板超真空截止阀的“通”状态正面剖视图;
图2“闭状态”截止阀剖视图;
图3是“通”状态截止阀侧面剖视图;
图4是“闭”状态截止阀侧面剖视图;
图5是圆波导内表面镀纳米多孔材料的示意图,从内向外分别为多孔金属壁、溅射材料、金属壁。
图中附图标记为:1-闸板,2-阀座,3-开孔,4-通孔,5-外硅胶密封圈,6-内硅胶密封圈,7-真空硅脂密封圈,8-手柄,9-定位销,10-多孔金属薄壁,11-镀膜,12-圆波导金属壁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明首先在圆波导内部金属表面通过磁控溅射方法形成晶粒尺寸为百纳米量级的成分为TiaZrbVcHfd的多孔合金材料薄膜,该纳米多孔合金材料在真空背景下经过烘烤激活、重复频率老练后,可减小高功率微波实验中圆波导壁的二次电子发射产额,并可以吸收实验中器件壁逸出的气体,保持实验中微波系统内部高真空度,阻止击穿的发生,提高传输击穿阈值。
由于纳米多孔合金材料暴露在大气中会吸附很多气体而钝化,钝化后就需要在真空状态下重新加热镀膜圆波导激活。但是纳米多孔合金材料的激活次数是有限的,频繁的激活会使材料的吸气能力减弱,高功率微波系统传输击穿阈值就会降低、寿命递减。所以最好使镀有纳米多孔合金材料的圆波导不工作时也处于真空状态,这样再次使用时就不用重复激活,延长纳米多孔复合材料的寿命。因此,考虑在圆波导两端安装活动闸板阀就可以让圆波导在不工作时也处于真空状态,避免纳米多孔复合材料钝化。在推拉闸板阀的时候使用动密封技术,该技术可以在闸板移动推拉时隔绝外界大气进入微波系统,从而保持微波系统或圆波导中的高真空度,不会使传输器件击穿阈值降低,换句话说就是间接提高了高功率微波传输器件击穿阈值。
如图1所示,为本发明双闸板超真空截止阀在导通状态时的正面剖视图,闸板上的开孔与阀座的通孔重合,将圆波导与微波源连通。
活动闸板式真空截止阀的内(内直径为55mm,外直径61mm)、外(内直径71mm,外直径77mm)硅胶密封圈通过机械加工的方式加工到密封圈槽上,利用硅橡胶件耐磨,且压缩性、气密性、耐疲劳特性、高低温特性都较好的特征来实现密封,制作正压可以达到12kg。在硅胶密封圈和闸板间通过机械加工的方式产生0.3mm的压缩量,可以提供12kg的压强。能够在闸板阀关闭条件下长期保持圆波导内真空度。在硅胶密封圈与闸板之间加工三圈真空硅脂密封圈仓,每圈压强可以达到15KG,可以有效阻挡分子渗透。在推拉闸板的动态条件下,三圈真空硅脂密封圈仓可以和闸板间形成一层薄的真空润滑脂起到润滑和分子级密封作用,阻止气体分子从闸板进入,保持圆波导内部真空度。真空润滑脂可以在推拉闸板的过程中减少摩擦以增长寿命。在阀座上还设置有定位销,以保证闸板与波导管的同心度,同时减少闸板与其他零部件之间的摩擦,保证闸板在内外密封圈理想的悬浮状态。
闸板采用不锈钢制作而成,具体材料为Cr1Ni18Ti9,厚度为1.9mm,宽度81.5mm,闸板基准边精度为正负0.02mm,闸板表面的光洁度为1.6;闸板开孔(对接圆波导)直径49.5mm,定位精度为正负0.05mm;阀座闸板槽长度99.5mm,宽度81mm,两侧各有5个M3螺丝,两侧有2个定位销,位置精度为正负0.015mm;内硅胶密封圈内、外直径分别为55mm、61mm;外硅胶密封圈内、外直径分别为71mm、77mm。
在微波系统工作时,微波源已经抽真空到10-2Pa,连接微波源与圆波导,打开闸板阀,使圆波导与抽真空的微波源联通,整体保持高真空度。在微波系统不工作时,微波源会充气处于大气状态。而圆波导内部镀有纳米多孔复合材料,不宜暴露在大气中,所以在微波源充气之前关闭闸板阀使圆波导继续处于真空状态。因此再次使用圆波导时不用重新激活,避免纳米多孔合金材料多次激活使吸气能力减弱造成传输击穿阈值降低。
如图5所示,为圆波导内表面镀吸气剂膜的示意图,其结构呈多孔金属薄壁-镀膜-金属壁的“三明治”结构。本发明采用的吸气剂,使脱附的气体分子被吸附在孔隙之间。通过磁控溅射的方法在金属表面生长沉积晶粒尺寸在百纳米量级的多孔合金材料TiaZrbVcHfd(最优情况a=b=c=d=1)薄膜。这种材料可以把脱附的气体分子吸附在孔隙之间,避免在纳秒时间内很快的在金属表面形成局部高气压。
为了防止与活性气体分子发生作用,多孔状合金材料在沉积过程中会在表面形成一层钝化膜。所以在使用HPM真空器件之前,需要对器件表面的吸气剂镀膜进行激活。需要在真空背景、温度150度以上连续24小时烘烤消除钝化层,露出多孔合金材料表面而激活。
Claims (9)
1.一种提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,包括圆波导,其特征在于:
所述圆波导内表面镀纳米多孔复合材料;所述纳米多孔复合材料为TiaZrbVcHfd,其中a、b、c、d代表各组分的摩尔量;
所述圆波导的两端设置有活动闸板式真空截止阀;
所述活动闸板式真空截止阀包括闸板及阀座,所述闸板的长度大于两倍波导管的直径,闸板的宽度大于圆波导的直径,闸板上部或下部设有与圆波导直径相同的开孔,所述阀座上开有与圆波导直径相同的通孔,所述阀座上设置有闸板槽,所述闸板插入闸板槽用于保持圆波导内部真空;所述闸板与阀座之间设置有密封装置。
2.根据权利要求1所述的提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,其特征在于:所述a:b:c:d=1:1:1:1。
3.根据权利要求1或2所述的提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,其特征在于:所述密封装置包括分别设置在闸板两侧面与阀座之间两个同心密封圈槽、设置在密封圈槽内的硅胶密封圈、填充在两个同心密封圈槽之间的多层真空硅脂密封圈。
4.根据权利要求3所述的提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,其特征在于:所述圆波导还包括设置在镀膜内侧的薄金属壁,所述薄金属壁上设置有多个孔。
5.根据权利要求4所述的提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,其特征在于:所述活动闸板式真空截止阀上端还包括手柄。
6.根据权利要求5所述的提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,其特征在于:所述闸板槽两侧还设置有定位销。
7.根据权利要求5所述的提高高功率微波传输器件击穿阈值的装置,其特征在于:所述闸板的材料为不锈钢,表面的光洁度为1.6,闸板的厚度为2mm。
8.一种提高高功率微波传输器件击穿阈值的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)通过磁控溅射的方法在波导内表面生长沉积晶粒尺寸在百纳米量级的多孔合金材料薄膜;所述多孔合金材料为TiaZrbVcHfd;
2)将多孔合金材料薄膜在真空背景下烘烤激活、重复频率老练;
3)将该波导用于高功率微波实验。
9.根据权利要求8所述的提高高功率微波传输器件击穿阈值的方法,其特征在于:
所述步骤3)为在微波系统工作时,将微波源抽真空至10-2Pa,连接微波源与圆波导,打开闸板阀,使圆波导与抽真空的微波源联通,整体保持高真空度;在微波系统不工作时,关闭闸板阀使圆波导继续处于真空状态,微波源会充气处于大气状态。
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