脉冲压缩系统中气体开关对功率增益的影响

对高功率微波脉冲压缩系统中气体开关对功率增益的一些重要影响进行了较详尽的理论分析,包括气体开关在导通过程中吸收微波能量,等离子体瞬间功率损耗使得谐振腔固有品质因数的下降,开关导通后等离子体并非理想良导体等,并将这些影响用修正系数来加以体现,对原有的用微波等

　第17卷　第6期

　2005年6月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.17,No.6　Jun.,2005　文章编号:　100124322(2005)0620947204

脉冲压缩系统中气体开关对功率增益的影响

谢苏隆,　孟凡宝,　马弘舸

(中国工程物理研究院应用电子研究所,四川绵阳621900)3

　　摘　要:　对高功率微波脉冲压缩系统中气体开关对功率增益的一些重要影响进行了较详尽的理论分析,

包括气体开关在导通过程中吸收微波能量,等离子体瞬间功率损耗使得谐振腔固有品质因数的下降,开关导通

后等离子体并非理想良导体等,并将这些影响用修正系数来加以体现,对原有的用微波等效电路理论推导出的

功率增益公式加以修正,使得理论公式的精确度由原来的60%提高至约85%。

　　关键词:　脉冲压缩;　气体开关;　微波等效电路;　功率增益;　固有品质因数

　　中图分类号:　TN78　　　　文献标识码:　A

　　脉冲压缩技术产生高功率微波脉冲,是将峰值功率较低而脉冲宽度较宽的微波脉冲压缩成脉冲宽度较窄而峰值功率较高的微波脉冲。在高功率微波脉冲压缩系统中,开关占据着极其重要的地位,与放能时间密切相关的开关导通性能直接决定了脉冲压缩是否能够实现。由于气体系统开关比较容易处理和维持,气体绝缘性较好,通过改变气压很容易调节开关的耐击穿能力,且气体形成电弧通道损耗能量小,故一般采用气体开关。　　通常在对脉冲压缩系统进行理论分析时,所运用的方法是微波等效电路理论。此理论在分析过程中将气体开关简单认为是理想开关,从而造成诸如功率增益等一些重要公式的推导结果与实验结果偏差较大,其理论精确度(计算结果与实验值之比)仅约为60%。本文就气体开关对脉冲压缩系统的综合影响进行了分析,考虑到开关导通的能耗、功率损耗对品质因数、开关导通性质这三方面的影响,并将这些影响用修正系数来表示,对原先的功率增益等相关理论公式加以修正,使理论精确度达到了85%左右。

　　在忽略从微波脉冲压缩系统中泄漏的微波脉冲能量的前提下,本文将分析气体开关对功率增益造成影响的三个主要因素。

1　开关导通能耗的影响

　　开关的导通过程是开关区域内的微波场与等离子体电子和离子相互作用的过程,由于电子质量远小于质子的质量,微波能量主要转移给电子,离子的运动可以被忽略。等离子体的基本参数之一等离子体的振荡频率[9]

fp=23ee/πme=8.97×10e(1)

式中:ne为自由电子的浓度;me为电子的质量;e为电子电荷量1.6×10-19C。

　　当输入微波的工作频率大于等离子体的振荡频率时,即f>fp,微波可以在等离子体中传播;当输入微波的工作频率等于等离子体的振荡频率时,即f=fp,产生所谓的谐振现象,形成共振吸收,等离子体被这种频率的微波加热。

　　当自由电子的密度达到一定程度,等离子体的振荡频率大于工作频率时,即fp>f,微波在等离子体中不能传播,而是被等离子体反射,但微波能深入等离子体表面一定的距离,且振幅将沿等离子体的厚度呈指数衰减,定义能使微波的振幅衰减到1/e的那个距离为等离子体的衰减距离,若令其为d,则有[9]

d=ωp22-ω/ωp(2)

对于ωνωp的情况,有

d≈c/ωp(3)

如果设定开关内等离子体密度由1011/cm3上升到1013/cm3所用的时间为开关的导通时间,则等离子体密度变化函数为[6]

3收稿日期:2004209230;　　修订日期:2005203209基金项目:中国工程物理研究院基金资助课题

),男,硕士研究生,主要从事高功率微波脉冲压缩技术研究;绵阳市91921017信箱。作者简介:谢苏隆(1977—

对高功率微波脉冲压缩系统中气体开关对功率增益的一些重要影响进行了较详尽的理论分析,包括气体开关在导通过程中吸收微波能量,等离子体瞬间功率损耗使得谐振腔固有品质因数的下降,开关导通后等离子体并非理想良导体等,并将这些影响用修正系数来加以体现,对原有的用微波等

948强激光与

tst粒子11束第17卷(4)×100ts

式中:α为常数,α>0;ts为开关的导通时间。则等离子体密度增长率为

11(5)=×100tsdtts

　　对于空气来说,其主要成分是氮气,大部分分子只进行一次电离,且电离一个分子所需要的电离能为15.8eV,电离后出射电子在微波场的作用下应具有大于15.8eV的动能,才能进一步发生离化碰撞,考虑到离子复合损耗等因素,不妨设电子的平均动能为20eV[7],这样使一个分子电离微波场消耗的总能量为35.8eV(其它气体电离耗能具体值可查相关微波手册求知),则等离子体功率损耗和能量损耗(单位:eV)函数分别为=10

Pp=35.8(eV)×V-6

=V×100tsdtts

αt11np(t)=n0e=10e(6)(7)

(8)-7Wp(t)=35.8(eV)×V×ne(t)=5.57×10V×100ts式中:V为等离子体体积(单位:cm3),即开关内气体体积。当t=ts时,等离子体的能量损耗达到最大-7Wp(ts)=35.8(eV)×V×n0(ts)=5.57×10V

2　功率损耗对品质因数的影响

　　在开关动作到完全导通之前,气体的不断电离增加了谐振腔的损耗,从而降低系统的总体效率。如不考虑等离子体引起的损耗,谐振腔的固有品质为

(9)Q0=ωW(t)/Pl(t)

式中:W(t)为开关动作过程中谐振腔的储能;Pl(t)为谐振腔壁的热损耗功率。

　　考虑到等离子体损耗,谐振腔的固有品质因数将为

()′Q0=Pl(t)+Pp,t

′(10)式中:Pp,t为等离子体瞬间功率损耗。令G=Q0/Q0′(11)

表示由于等离子体损耗引起的谐振腔固有品质因数下降比率,则[2]

′-t/tsG===-t/t-6-t/tQ0Pl(t)+PpP0Ks+2.64×10×V×100s/ts′(12)

式中:P0为入射功率。假定开关完全导通时,谐振腔的储能下降为其最大值的1/K,参数K最终由ts决定,并有关系式[2]

ts=-2-5β()-+ out+1-2-2-(lnK)KlnK(lnK)2

lnKK(13)

因为开关导通时间极短(ns量级),由等离子体瞬间功率损耗所造成的谐振腔固有品质因数的下降,可用谐振腔固有品质因数平均下降比率G′来表示

G=′ts0tsGdt′(14)

3　开关导通性质的影响

　　在开关导通过程中,该区域的等离子体密度不断增长,当开关导通时,在波导中间形成类似柱状的等离子体区域,相当于在波导中插入了一个类似柱状良导体,该柱状

体的直径是波导中气体压强的函数。根据Schwinger分

析[7],此等效电路为T型电路,波导中的导体棒相当于在波

导中并联了一个感性阻抗,波导中传输的微波在此处会发生反射,但不是全反射(如图1)。应用变分原理,在d/a<0.15

时,可以近似地求出该T型电路的各个参数值[1]为

Fig.1　Waveguideviewandequivalentcircuit-S0++=(α)β(α)(β)α(β)(α)λJ0J1-J0J14Z02Z02gJ0图1　波导简图及其等效电路图

(15)

对高功率微波脉冲压缩系统中气体开关对功率增益的一些重要影响进行了较详尽的理论分析,包括气体开关在导通过程中吸收微波能量,等离子体瞬间功率损耗使得谐振腔固有品质因数的下降,开关导通后等离子体并非理想良导体等,并将这些影响用修正系数来加以体现,对原有的用微波等

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