高功率微波（HPM）技術(shù)實用化進(jìn)程需要強(qiáng)流二極管硬管化技術(shù)。陶瓷真空界面是強(qiáng)流二極管的關(guān)鍵部件之一,沿面閃絡(luò)嚴(yán)重制約著陶瓷真空界面在高功率微波領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。為此,本論文通過理論分析、仿真模擬和實驗驗證等手段,針對強(qiáng)流二極管陶瓷真空界面沿面閃絡(luò),建立了閃絡(luò)發(fā)展動態(tài)仿真模型,仿真研究了閃絡(luò)影響因素;建立了閃絡(luò)等離子體綜合診斷平臺,獲得了陶瓷沿面閃絡(luò)等離子體發(fā)展規(guī)律及特征參數(shù);提出了基于表面構(gòu)造的陶瓷沿面閃絡(luò)抑制方法,開展了實驗驗證與絕緣可靠性分析。論文研究為陶瓷二極管的重頻、長脈沖運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:1、陶瓷真空界面沿面閃絡(luò)過程的動態(tài)模擬。依據(jù)真空沿面閃絡(luò)機(jī)理及其影響因素,利用VSim粒子仿真軟件建立了陶瓷真空界面沿面閃絡(luò)動態(tài)仿真模型,分析了二次電子發(fā)射系數(shù)、二次電子倍增與碰撞電離等過程,給出了初始模型的仿真結(jié)果。進(jìn)一步研究了表面二次電子發(fā)射系數(shù)、表面解吸附氣體、表面積聚電荷等因素對陶瓷沿面閃絡(luò)的影響。結(jié)合工程設(shè)計,提出了采用減小表面二次電子發(fā)射系數(shù)與表面刻槽提高陶瓷耐壓水平,從而抑制閃絡(luò)的方法。2、長脈沖強(qiáng)流二極管陶瓷真空界面閃絡(luò)等離子體綜合診斷。建立了百納... 

【文章來源】：國防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

強(qiáng)流二極

，有效提高了長脈沖電子束加速器工作性能，該二極管工作電壓500kV、脈寬350ns，陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。美國空軍實驗室（AirForceResearchLaboratory，AFRL）在其研制的硬管MILO系統(tǒng)采用了平板型陶瓷的二極管絕緣結(jié)構(gòu)[51]，結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。美國德克薩斯理工大學(xué)（TexasTechUniversity，TTU）在其研究的硬管VCO中采用了陶瓷介質(zhì)作為強(qiáng)流二極管的絕緣界面[63]，其結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。通過高溫烘烤等措施，該VCO可以實現(xiàn)高真空條件下的百Hz重復(fù)頻率運(yùn)行，但是其工作電壓等級較低，二極管電壓僅為300kV，電脈寬為70ns。圖1.5AFRL的陶瓷平板絕緣體圖1.6TTU的陶瓷絕緣VCO國內(nèi)開展強(qiáng)流二極管陶瓷真空界面研究的主要是中國工程物理研究院與國防科技大學(xué)兩家單位。中國工程物理研究院在其研制的CHP01重頻脈沖功率驅(qū)動源中，應(yīng)用了基于密封圈壓封的錐形陶瓷真空界面[64]-[66]，其強(qiáng)流二極管結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。該陶瓷真空界面有效絕緣長度約為400mm，可以耐受脈寬40ns、幅值約600kV的脈沖高壓，平均絕緣場強(qiáng)20kV/cm，該強(qiáng)流真空界面可在二極管電壓800kV、束流7kA、脈寬45ns的50Hz重復(fù)頻率下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5s。國防科技大學(xué)也研制了用于某高功率微系統(tǒng)的圓盤型基于陶瓷-金屬釬焊的強(qiáng)流二極管[67]，如圖1.8所示，陶瓷界面直徑400mm，可耐受100ns脈寬下的600kV電壓。還開展了該真空界面在重復(fù)脈沖運(yùn)行下的耐壓性能研究[42]，在1~5Hz重復(fù)頻率下，可耐受電脈寬為80ns的600kV高壓，其表面最高平均絕緣場強(qiáng)達(dá)到30kV/cm。

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第4頁源，避免回流電子轟擊絕緣結(jié)構(gòu)表面，典型代表是俄羅斯大電流所SINUS加速器中所采用的絕緣結(jié)構(gòu)[62]，如圖1.3所示。陶瓷絕緣真空界面盡管符合高功率微波技術(shù)實用化進(jìn)程發(fā)展趨勢，但目前關(guān)于強(qiáng)流二極管采用陶瓷真空界面的研究報道相對較少。國外研究主要以美國為主，美國NewMexico大學(xué)采用銅焊陶瓷材料絕緣子取代傳統(tǒng)有機(jī)高分子絕緣材料絕緣子，研制了硬管長脈沖RBWO[50]，通過高溫烘烤等措施，使微波管保持在工作高真空狀態(tài)，有效提高了長脈沖電子束加速器工作性能，該二極管工作電壓500kV、脈寬350ns，陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。美國空軍實驗室（AirForceResearchLaboratory，AFRL）在其研制的硬管MILO系統(tǒng)采用了平板型陶瓷的二極管絕緣結(jié)構(gòu)[51]，結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。美國德克薩斯理工大學(xué)（TexasTechUniversity，TTU）在其研究的硬管VCO中采用了陶瓷介質(zhì)作為強(qiáng)流二極管的絕緣界面[63]，其結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。通過高溫烘烤等措施，該VCO可以實現(xiàn)高真空條件下的百Hz重復(fù)頻率運(yùn)行，但是其工作電壓等級較低，二極管電壓僅為300kV，電脈寬為70ns。圖1.5AFRL的陶瓷平板絕緣體圖1.6TTU的陶瓷絕緣VCO國內(nèi)開展強(qiáng)流二極管陶瓷真空界面研究的主要是中國工程物理研究院與國防科技大學(xué)兩家單位。中國工程物理研究院在其研制的CHP01重頻脈沖功率驅(qū)動源中，應(yīng)用了基于密封圈壓封的錐形陶瓷真空界面[64]-[66]，其強(qiáng)流二極管結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。該陶瓷真空界面有效絕緣長度約為400mm，可以耐受脈寬40ns、幅值約600kV的脈沖高壓，平均絕緣場強(qiáng)20kV/cm，該強(qiáng)流真空界面可在二極管電壓800kV、束流7kA、脈寬45ns的50Hz重復(fù)頻率下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5s。國防科技大學(xué)也研制了用于某高功率微系統(tǒng)的圓盤型基于陶瓷-金屬釬焊的?

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3494377