第1章 绪论 1
1.1 本书的研究背景和意义 1
1.1.1 高功率微波的定义和应用 1
1.1.2 强电磁场击穿瓶颈问题 2
1.2 本书的结构与范围 3
参考文献 5
第2章 HPM真空击穿基础及产生器件击穿 6
2.1 引论 6
2.2 金属表面电子发射理论基础 6
2.2.1 场致电子发射 6
2.2.2 微波电场致发射 8
2.2.3 场增强机制 9
2.2.4 微波条件下对场致发射有影响的因素 12
2.2.5 发射电流的加热作用 14
2.2.6 二次电子发射 16
2.3 常规射频结构真空强电磁场击穿 17
2.3.1 常规射频结构真空强场击穿概述 17
2.3.2 真空金属强电场击穿实验 18
2.3.3 X波段谐振环中的TM020谐振腔击穿 22
2.3.4 真空强电场击穿数值模拟 24
2.3.5 真空强磁场热疲劳击穿 26
2.3.6 提升击穿阈值的材料和工艺基础 30
2.4 HPM高频结构真空强电磁场击穿 31
2.4.1 HPM源与相对论返波管概述 31
2.4.2 HPM高频结构击穿机理 32
2.4.3 HPM高频结构击穿诊断 33
2.4.4 HPM高频结构击穿抑制方法 35
2.4.5 镀层在HPM器件的应用 38
2.5 小结 40
参考文献 40
第3章 HPM无源器件真空强电磁场击穿 43
3.1 引论 43
3.2 HPM无源器件真空强场击穿机理初步 44
3.2.1 金属表面纳秒HPM击穿 44
3.2.2 PIC模拟金属表面强场击穿动力学 46
3.3 HPM传输器件真空强场击穿诊断 48
3.3.1 HPM传输通道内TE11模式击穿发光 48
3.3.2 HPM传输通道内TM01模式击穿发光诊断 54
3.3.3 波导与收集极附近的X射线诊断 56
3.4 双金属表面间谐振倍增理论 58
3.4.1 双表面倍增的基本理论 60
3.4.2 谐振相位的稳定性 64
3.4.3 倍增过程中的相位变化 65
3.4.4 切向和法向发射速度对倍增的影响 66
3.4.5 双表面倍增中的混合模 69
3.5 空间电荷场与谐振倍增饱和规律 70
3.5.1 双平板结构的倍增饱和 70
3.5.2 二次电子产额对倍增饱和的影响 74
3.5.3 饱和边界曲线 77
3.5.4 倍增放电实验 78
3.6 同轴线和圆波导内的倍增 80
3.6.1 同轴线倍增规律 80
3.6.2 圆波导内不同极化电场下倍增规律 84
3.7 TiN镀层对真空系统释气率的影响 88
3.8 小结 92
参考文献 93
第4章 真空介质面HPM倍增击穿 96
4.1 引论 96
4.2 射频二次电子倍增的前期理论 96
4.2.1 介质面二次电子发射 96
4.2.2 射频二次电子倍增理论 97
4.3 介质窗HPM击穿的前期实验 99
4.4 考虑表层气体的电子倍增模型 103
4.4.1 HPM倍增击穿的主要物理过程 103
4.4.2 动力学模型 104
4.4.3 碰撞电离参数计算 106
4.4.4 模型结果 107
4.5 短脉冲击穿所需的表面气压及来源 109
4.5.1 倍增饱和数密度与微波截止 109
4.5.2 短脉冲击穿需要的表面气压 110
4.5.3 气体脱附的种类和速率 111
4.5.4 介质面毛刺的场增强 112
4.5.5 等离子体焦耳热和介质热损耗 115
4.5.6 倍增热沉积 115
4.6 重复频率脉冲的HPM击穿 116
4.6.1 重频脉冲的倍增热累积 116
4.6.2 重频脉冲的电子累积 117
4.6.3 重复频率HPM击穿实验和结果 118
4.7 介质材料性能和表面处理 121
4.7.1 介质材料主要性能 121
4.7.2 介质窗表面清洁处理 122
4.8 纳米镀层在HPM输出窗中的应用 124
4.8.1 不同厚度和温度下TiN镀层对二次电子产额的影响 124
4.8.2 SLAC对比研究纳米TiN和Cr镀层输出窗的效果 125
4.8.3 KEK研究纳米TiN镀层对输出窗的倍增抑制和损耗 127
4.9 小结 130
参考文献 131
第5章 空间电荷场和等离子体时空诊断 136
5.1 引论 136
5.2 空间电荷屏蔽的倍增模型 136
5.2.1 前期工作回顾 136
5.2.2 正空间电荷势和场 138
5.2.3 负空间电荷势和场 142
5.2.4 讨论 143
5.3 HPM输出窗真空侧击穿等离子体时空诊断 144
5.3.1 HPM输出窗真空侧击穿诊断 144
5.3.2 实验结果的机理分析 146
5.4 汤姆孙散射诊断HPM输出窗击穿 148
5.4.1 等离子体电子密度与散射光谱的关系 150
5.4.2 等离子体扩散速度与散射光谱之间的关系 150
5.4.3 等离子体温度与散射光谱之间的关系 150
5.4.4 去除背景噪声、降低测量误差 150
5.5 激光诱导荧光光谱诊断等离子体 152
5.5.1 激光诱导荧光诊断原子密度 152
5.5.2 激光诱导荧光坑的Stark谱诊断电场 152
5.6 小结 154
参考文献 154
第6章 周期性表面提高HPM窗真空侧击穿阈值的方法 156
6.1 引论 156
6.2 周期性矩形表面抑制倍增的理论和实验 156
6.2.1 动力学模型 156
6.2.2 PIC模拟 159
6.2.3 大功率实验研究 161
6.3 周期性三角形表面抑制倍增和等离子体的理论 165
6.3.1 动力学计算 165
6.3.2 三角形表面的场分布 167
6.3.3 考虑场分布后的倍增和等离子体动力学 169
6.3.4 PIC模拟S波段倍增的抑制 174
6.3.5 PIC模拟X波段倍增和等离子体的抑制 177
6.4 周期性三角形表面提高HPM击穿阈值的实验 179
6.4.1 大功率实验研究 179
6.4.2 HPM实验验证 181
6.4.3 氟化周期性表面提高击穿阈值 184
6.4.4 讨论 188
6.5 三维周期性表面抑制任意极化电磁场的倍增 189
6.5.1 三维周期性函数结构内场分布 190
6.5.2 三维周期性函数结构内电子运动 192
6.5.3 三维周期表面抑制倍增的实验 194
6.6 小结 196
参考文献 196
第7章 谐振磁场抑制真空介质面HPM倍增的方法 199
7.1 引论 199
7.2 早期工作回顾 199
7.2.1 微波磁场对HPM倍增的影响 199
7.2.2 外磁场对HPM倍增的影响 200
7.3 谐振磁场抑制HPM输出窗真空倍增的机理 202
7.3.1 动力学模型 202
7.3.2 二维PIC模拟 205
7.3.3 三维PIC模拟 208
7.4 功率容量提高的原理性实验验证 209
7.4.1 长脉冲下实验验证 209
7.4.2 短脉冲下实验验证 211
7.4.3 采用海尔贝克磁铁的实验验证 213
7.5 谐振磁场提高介质加载加速器结构击穿阈值的方法 216
7.5.1 介质加载加速器结构的单表面谐振倍增 216
7.5.2 介质单表面谐振倍增机理 217
7.5.3 TiN镀层对单表面谐振倍增的有限抑制 218
7.5.4 磁场抑制单表面谐振倍增的动力学模型 220
7.5.5 磁场抑制单表面谐振倍增的PIC模拟 224
7.5.6 磁场提高击穿阈值的实验验证 228
7.6 小结 230
参考文献 231
第8章 不同气压下气体与介质面HPM击穿 233
8.1 早期工作回顾 233
8.1.1 HPM大气击穿的理论模型 233
8.1.2 单极性条件下介质/气体界面击穿 237
8.1.3 介质/气体界面HPM击穿实验 239
8.1.4 介质/气体界面HPM击穿模拟 242
8.1.5 介质/气体界面HPM击穿的抑制 245
8.2 低气压下介质/气体HPM击穿的全局模型 247
8.2.1 全局模型 248
8.2.2 电离碰撞参数和模型结果 250
8.2.3 讨论 251
8.3 HPM输出窗大气侧击穿等离子体诊断与分析 252
8.3.1 介质/大气界面等离子体时空演化诊断 252
8.3.2 电磁场建模 253
8.3.3 电磁PIC模拟与等离子体动力学 255
8.3.4 流体动力学模型 257
8.4 HPM输出窗不同气压下击穿等离子体诊断 258
8.5 小结 262
参考文献 263