重頻吉瓦級高功率微波源硬管化技術研究

荀 濤，孫曉亮，樊玉偉，楊漢武，張自成，張 軍，張建德，鐘輝煌

(國防科技大學前沿交叉學科學院 長沙 410073)

高功率微波的實用化進程要求系統能夠重頻、多次運行，在此基礎上，做到緊湊、可靠、可適應于移動平臺[1-4]。這類系統中，磁絕緣線振蕩器(MILO)由于無需外加磁場，易于實現緊湊化和高功率運行[5-10]。實現吉瓦級MILO在脫離地面機組、保真空條件下的重頻運行是高功率微波系統實用化的基礎之一，其核心在于高功率微波器件的硬管化封裝，包括強流陶瓷真空界面設計和脈沖氣源下的保真空設計等。硬管化高功率微波源具有模塊化、緊湊化和長壽命等優點[11-14]。與大功率微波管硬管化不同的是，高功率微波源真空封裝界面通常需要耐受數百千伏級脈沖高電壓，同時還需在空間、供電等有限條件下處理冷陰極、陽極等在多個脈沖過程中的高氣載脈沖氣源。故此，國內外關于吉瓦級高功率微波源的硬管化報道并不多見，國內曾成功研制了硬管化虛陰極以及硬管化MILO，但都為單次運行。文獻[14]經特殊設計的硬管化虛陰極實現了大于100 Hz的重頻運行，但輸出功率僅有100 MW量級。

本文在高真空工藝的基礎上，針對一種長壽命、高效MILO，研制了重頻強流二極管陶瓷真空界面絕緣結構；同時，建立了微波源器件的瞬態抽氣模型，應用分子流Monte-Carlo(MC)方法，模擬了脈沖放氣后微波源內部真空壓強在不同時刻下的三維分布和演化規律；并以此為基礎優化了內置氣體捕集泵的真空拓撲結構。最后，在HEART-50脈沖功率源上開展了5 Hz實驗測試，陶瓷真空界面能耐受超過600 kV的脈沖電壓，沿面平均絕緣場強達到40 kV/cm，重頻運行可靠；微波源在脫離地面泵組后實現了重頻吉瓦級輸出，平衡壓強小于 5×10?2Pa，微波功率大于 3 GW、脈寬大于 40 ns。

1 硬管總體設計

吉瓦級MILO硬管化總體設計如圖1所示，它是文獻[8]中MILO的改進型。為滿足重頻運行保真空要求，采取了以下設計要點：部件之間的密封連接均采用不銹鋼刀口和無氧銅墊圈；真空界面絕緣子由有機高分子替換為陶瓷金屬焊接封裝件[15]，重點是解決真空絕緣的問題；為了降低脈沖放氣量并提高器件壽命，陰極由傳統的天鵝絨陰極升級為碳纖維絨陰極[16]。

為了增加排氣流導，設計了一種特殊的、蜂巢網狀結構應用于慢波結構中，該結構既保證了MILO的電磁結構，同時提高了陰極局部區域的抽速。在陽極外殼內放置了吸氣單元[13]，能夠在對器件進行靜態真空維持的同時，捕集脈沖放氣，維持微波源在有限次重頻運行過程中的高真空環境。封裝好的硬管需經過一系列特殊處理，其中包括長時間高溫烘烤排氣，以確保真空本底壓強在10?6Pa量級。

2 重頻強流陶瓷真空界面

針對上述要求，圖2給出了一種基于陶瓷?金屬封接、針對MILO負載的陶瓷真空界面結構及其電場仿真結果，陶瓷兩側分別為SF6氣體和真空。它的技術特點有：陶瓷采用“負錐”結構，能夠較好地承受機械應力；采用屏蔽環對陽極和陰極的封接焊料進行了屏蔽；采用氣側均壓環對陶瓷真空側沿面電場進行勻化。內部結構中涉及到的所有尖角均采用了圓角處理，避免電場集中。

圖2a為等勢線分布，相鄰等勢線電勢差為26 kV；圖2b為陶瓷真空側表面總電場和沿面電場分量；圖2c為陶瓷真空界面的電場分布。模擬結果顯示，絕緣體沿面電場分布較為均勻，650 kV外加電壓時，總場強最大值小于100 kV/cm，沿面分量最大值小于70 kV/cm。陰、陽極三結合點區域的平均場強得到了有效控制，均小于30 kV/cm。

3 基于MC方法的瞬態放氣模擬

吉瓦級微波源重頻運行保真空的研究重點之一是獲得脈沖氣源演化規律[17-18]。MILO中，脈沖放氣后的氣團擴散主要受隨機性的影響，在分子流真空環境下，氣體分子到達泵口并被抽走也屬于隨機過程，故MC模擬方法適用于MILO瞬態抽氣行為的研究[19]。模擬中，放氣量為：

吸氣劑吸氣行為表達式為：

式中，Np為放氣量；Pt為瞬態壓強；Pb為系統本底壓強；Se為系統有效抽速；V為系統容積；Qp為氣體吸附量；k為玻爾茲曼常數；T為開氏溫度。

模型模擬結果如圖3所示。100 ns電脈沖后，如圖3a所示，脈沖氣源主要集中于陰極附近，局部最大壓強接近1 Pa量級，而器件其他區域仍保持本底壓強。隨著氣源的隨機擴散，氣壓成梯度擴散規律，1 ms后，慢波區壓強由 10?6Pa 升至 10?2Pa量級，如圖3b所示。當氣體分子到達吸氣劑表面時，它們將被吸附。100 ms后，如圖3c所示，由于吸氣劑的吸氣效果，慢波區的壓強開始下降，壓強最大區域出現在陽極附近。當 200 ms后，慢波區附近的壓強進一步降低，到達10?4Pa量級，器件氣壓區域如真空界面以及陽極、模轉區也回落到平均10?3Pa水平，如圖3d所示。由MC動態模擬可知，從保真空的角度，硬管MILO能夠運行的重頻水平不低于 5 Hz。

4 實驗測試

本文在HEART-50脈沖驅動源上開展了陶瓷界面重頻絕緣、保真空以及保真空條件下的微波功率水平測試。實驗中，二極管電流采用內置Rogowski線圈測量，脈沖驅動源形成線電壓和二極管電壓采用傘狀電容分壓器；真空度采用自制真空實時采集系統；微波功率采用滿足遠場條件的10路張角喇叭陣列測量。

典型初級放電電流波形、形成線充電電壓波形以及二極管電壓、電流波形如圖4a和圖4b所示。測試炮數超過數百炮次，二極管運行穩定，平均電壓等級630 kV、電流48 kA，平均耐受電脈寬 87 ns。

典型保真空氣壓歷史曲線如圖5所示。在200 ms兩個脈沖間隔內，氣壓呈鋸齒狀上升和下降，5 Hz運行 1 s后，真空計實測壓強接近 10?2Pa，氣壓再次恢復到近本底的時間小于45 s。圖6給出了保真空條件下MILO以5 Hz運行25個脈沖時的輻射微波波形，其中，每5個脈沖間隔時間約為50 s。微波平均功率大于3 GW、脈寬大于40 ns，頻段為L波段。在多脈沖運行過程中，未見脈沖縮短現象發生。

5 結 束 語

重頻吉瓦級高功率微波源的硬管化是高功率微波系統實用性關鍵技術之一。本文針對MILO器件，在傳統硬管工藝基礎上研制了滿足強場、重頻運行的強流二極管陶瓷真空界面絕緣結構；建立了微波源器件的瞬態抽氣模型，應用分子流MC方法模擬了脈沖放氣后微波源內部真空壓強在不同時刻下的三維分布和演化規律；并以此為基礎優化了內置氣體捕集泵的真空拓撲結構。在HEART-50脈沖功率源上進行了5 Hz實驗測試，陶瓷真空界面能耐受超過600 kV的脈沖電壓，重頻運行可靠；微波源在脫離地面泵組后實現了重頻吉瓦級輸出，脈沖串間的真空恢復時間小于1 min，平衡壓強小于 5×10?2Pa，微波功率大于 3 GW、脈寬大于 40 ns。