高功率微波輸出窗及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的高功率微波輸出窗及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波(High Power Microwave，HPM)是指峰值功率超過100MW，頻率在IGHz?300GHz范圍內(nèi)的電磁輻射。HPM在科研、民用和國防領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。隨著高功率微波器件的峰值功率和脈沖寬度的提高，特別是大功率、小型化微波裝置的研制，位于真空中的介質(zhì)表面(簡稱真空側(cè)介質(zhì)窗表面)擊穿已經(jīng)成為限制高功率微波傳輸與發(fā)射系統(tǒng)功率提高的主要瓶頸。
[0003]Gff級HPM系統(tǒng)主要由脈沖功率驅(qū)動源子系統(tǒng)、HPM微波源子系統(tǒng)和HPM傳輸及發(fā)射子系統(tǒng)構(gòu)成。HPM傳輸及發(fā)射子系統(tǒng)通過喇叭或饋源將微波輻射向大氣。HPM微波源運(yùn)行在真空狀態(tài)，因此喇叭或饋源需要介質(zhì)窗隔離真空和大氣。
[0004]介質(zhì)窗的HPM擊穿主要發(fā)生在真空側(cè)，過程是:在真空側(cè)介質(zhì)窗表面，由于二次電子倍增，觸發(fā)了氣體層中的等離子體電離雪崩放電，從而擊穿真空側(cè)介質(zhì)窗表面。它從90年代后期開始在HPM研宄領(lǐng)域內(nèi)備受關(guān)注，隨著HPM向著高峰值功率(>5GW)、較長脈沖OlOOns)和較高重復(fù)頻率OlOOHz)的方向發(fā)展，真空側(cè)介質(zhì)窗的HPM擊穿已成為限制HPM系統(tǒng)功率提高的主要瓶頸。但是現(xiàn)在卻沒有有效的手段能夠有效地提高真空側(cè)介質(zhì)窗表面HPM擊穿閾值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)不能有效地提高真空側(cè)介質(zhì)窗表面HPM擊穿閾值的問題。
[0006]為此目的，本發(fā)明提出一種周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法，包括:
[0007]將有機(jī)聚合物介質(zhì)窗表面加工成波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)；
[0008]對所述波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理；
[0009]在真空爐內(nèi)，抽真空至l_2Pa，充入氣壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的氣體純度大于預(yù)設(shè)閾值的含碳?xì)庀喾肿幼鳛樵礆怏w，將經(jīng)過所述預(yù)處理的所述介質(zhì)窗固定于陽極表面，采用陽極層離子束技術(shù)，通過加直流電壓或饋入微波，在所述介質(zhì)窗的波浪狀的周期性表面生長薄膜；
[0010]對表面生長薄膜的介質(zhì)窗進(jìn)行高壓去離子水槍清洗和預(yù)設(shè)時(shí)長的去離子水超聲清洗，去除所述薄膜的無定性態(tài)碳元素成分。
[0011]本發(fā)明實(shí)施例周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法，先將有機(jī)聚合物介質(zhì)窗表面加工成波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)，然后依次經(jīng)過預(yù)處理、鍍膜和去碳的過程在所述介質(zhì)窗表面鍍大面積類金剛石薄膜層，而周期性表面結(jié)構(gòu)能夠提高介質(zhì)窗的擊穿閾值，同時(shí)，金剛石薄膜層具有高熱導(dǎo)率、高絕緣性能、耐高溫?zé)g、抗老化能力，可以有效地保護(hù)所述介質(zhì)窗表面不受高梯度微波電場產(chǎn)生的等離子體的轟擊，提高了介質(zhì)窗的抗擊穿性能，因而能夠解決現(xiàn)有技術(shù)不能有效地提高真空側(cè)介質(zhì)窗表面HPM擊穿閾值的冋題。
【附圖說明】
[0012]圖1所示為一種周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法一實(shí)施例的流程示意圖；
[0013]圖2為窗外徑為40cm的鍍大面積類金剛石薄膜的帶周期性表面結(jié)構(gòu)的介質(zhì)窗的樣件示意圖；
[0014]圖3為剖面形狀為等邊三角形的周期性表面結(jié)構(gòu)的局部放大示意圖；
[0015]圖4為圖1中S2 —實(shí)施例的流程示意圖；
[0016]圖5為圖1中S3—實(shí)施例的流程示意圖；
[0017]圖6為對帶有大面積類金剛石薄膜的周期性表面介質(zhì)窗和平面介質(zhì)窗開展HPM實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的輻射場脈沖脈寬和注入微波功率的關(guān)系圖；
[0018]圖7為對帶有大面積類金剛石薄膜的周期性表面介質(zhì)窗和平面介質(zhì)窗開展HPM實(shí)驗(yàn)，在注入相同的高功率微波情況下，產(chǎn)生的兩路輻射場脈沖波形的比較示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0020]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例公開一種周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法，包括:
[0021]S1、將有機(jī)聚合物介質(zhì)窗表面加工成波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)；
[0022]S2、對所述波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理；
[0023]S3、在真空爐內(nèi)，抽真空至l_2Pa，充入氣壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的氣體純度大于預(yù)設(shè)閾值的含碳?xì)庀喾肿幼鳛樵礆怏w，將經(jīng)過所述預(yù)處理的所述介質(zhì)窗固定于陽極表面，采用陽極層離子束技術(shù)，通過加直流電壓或饋入微波，在所述介質(zhì)窗的波浪狀的周期性表面生長薄膜；
[0024]S4、對表面生長薄膜的介質(zhì)窗進(jìn)行高壓去離子水槍清洗和預(yù)設(shè)時(shí)長的去離子水超聲清洗，去除所述薄膜的無定性態(tài)碳元素成分。
[0025]本發(fā)明實(shí)施例中，如圖2所示為窗外徑為40cm的鍍大面積類金剛石薄膜的帶周期性表面結(jié)構(gòu)的介質(zhì)窗的樣件示意圖。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法，先將有機(jī)聚合物介質(zhì)窗表面加工成波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)，然后依次經(jīng)過預(yù)處理、鍍膜和去碳的過程在所述介質(zhì)窗表面鍍大面積類金剛石薄膜層，而周期性表面結(jié)構(gòu)能夠提高介質(zhì)窗的擊穿閾值，同時(shí)，金剛石薄膜層具有高熱導(dǎo)率、高絕緣性能、耐高溫?zé)g、抗老化能力，可以有效地保護(hù)所述介質(zhì)窗表面不受高梯度微波電場產(chǎn)生的等離子體的轟擊，提高了介質(zhì)窗的抗擊穿性能，因而能夠解決現(xiàn)有技術(shù)不能有效地提高真空側(cè)介質(zhì)窗表面HPM擊穿閾值的冋題。
[0027]可選地，在本發(fā)明周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法的另一實(shí)施例中，所述波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)的周期尺寸小于饋入的微波波長的1/30。
[0028]本發(fā)明實(shí)施例中，預(yù)設(shè)閾值可以為99.9%，含碳?xì)庀喾肿涌梢詾榧淄椤τ谖⒉l率在4GHz?1GHz范圍，周期性表面結(jié)構(gòu)的周期尺寸在Imm?2.5mm范圍，介質(zhì)窗外徑為40cm的情況，經(jīng)過該發(fā)明實(shí)施例的步驟，在所述介質(zhì)窗表面直徑為40cm的區(qū)域內(nèi)能夠均勾生長厚度小于Ium的薄膜。
[0029]可選地，在本發(fā)明周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法的另一實(shí)施例中，所述波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)的剖面的形狀為三角形或梯形。
[0030]本發(fā)明實(shí)施例中，波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)的剖面的形狀為三角形或梯形，也可以為其它形狀，本發(fā)明對此不作限定。如圖3所示為剖面形狀為等邊三角形的周期性表面結(jié)構(gòu)的局部放大示意圖(該等邊三角形的邊長為1_，傾角為60度)。
[0031]可選地，參看圖4，在本發(fā)明周期性刻槽表面鍍有類金剛石薄膜的HPM輸出窗的制作方法的另一實(shí)施例中，所對所述波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理(S2)，包括:
[0032]S20、對所述波浪狀的周期性表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面凈化處理；
[0033]S21、在真空度小于l_