CN104617357B - 高功率微波输出窗及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的高功率微波输出窗及其制作方法，能够解决现有技术不能有效地提高真空侧介质窗表面高功率微波击穿阈值的问题。所述方法包括：将有机聚合物介质窗表面加工成波浪状的周期性表面结构；对所述波浪状的周期性表面结构进行预处理；在真空炉内，抽真空至1‑2Pa，充入气压在预设范围内的气体纯度大于预设阈值的含碳气相分子作为源气体，将经过所述预处理的所述介质窗固定于阳极表面，采用阳极层离子束技术，通过加直流电压或馈入微波，在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜；对表面生长薄膜的介质窗进行高压去离子水枪清洗和预设时长的去离子水超声清洗，去除所述薄膜的无定性态碳元素成分。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域，具体涉及一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的高功率微波输出窗及其制作方法。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave，HPM)是指峰值功率超过100MW，频率在1GHz～300GHz范围内的电磁辐射。HPM在科研、民用和国防领域具有非常广阔的应用前景。随着高功率微波器件的峰值功率和脉冲宽度的提高，特别是大功率、小型化微波装置的研制，位于真空中的介质表面(简称真空侧介质窗表面)击穿已经成为限制高功率微波传输与发射系统功率提高的主要瓶颈。
GW级HPM系统主要由脉冲功率驱动源子系统、HPM微波源子系统和HPM传输及发射子系统构成。HPM传输及发射子系统通过喇叭或馈源将微波辐射向大气。HPM微波源运行在真空状态，因此喇叭或馈源需要介质窗隔离真空和大气。
介质窗的HPM击穿主要发生在真空侧，过程是：在真空侧介质窗表面，由于二次电子倍增，触发了气体层中的等离子体电离雪崩放电，从而击穿真空侧介质窗表面。它从90年代后期开始在HPM研究领域内备受关注，随着HPM向着高峰值功率(>5GW)、较长脉冲(>100ns)和较高重复频率(>100Hz)的方向发展，真空侧介质窗的HPM击穿已成为限制HPM系统功率提高的主要瓶颈。但是现在却没有有效的手段能够有效地提高真空侧介质窗表面HPM击穿阈值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术不能有效地提高真空侧介质窗表面HPM击穿阈值的问题。
为此目的，本发明提出一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法，包括：
将有机聚合物介质窗表面加工成波浪状的周期性表面结构；
对所述波浪状的周期性表面结构进行预处理；
在真空炉内，抽真空至1-2Pa，充入气压在预设范围内的气体纯度大于预设阈值的含碳气相分子作为源气体，将经过所述预处理的所述介质窗固定于阳极表面，采用阳极层离子束技术，通过加直流电压或馈入微波，在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜；
对表面生长薄膜的介质窗进行高压去离子水枪清洗和预设时长的去离子水超声清洗，去除所述薄膜的无定性态碳元素成分。
本发明实施例周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法，先将有机聚合物介质窗表面加工成波浪状的周期性表面结构，然后依次经过预处理、镀膜和去碳的过程在所述介质窗表面镀大面积类金刚石薄膜层，而周期性表面结构能够提高介质窗的击穿阈值，同时，金刚石薄膜层具有高热导率、高绝缘性能、耐高温烧蚀、抗老化能力，可以有效地保护所述介质窗表面不受高梯度微波电场产生的等离子体的轰击，提高了介质窗的抗击穿性能，因而能够解决现有技术不能有效地提高真空侧介质窗表面HPM击穿阈值的问题。
附图说明
图1所示为一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法一实施例的流程示意图；
图2为窗外径为40cm的镀大面积类金刚石薄膜的带周期性表面结构的介质窗的样件示意图；
图3为剖面形状为等边三角形的周期性表面结构的局部放大示意图；
图4为图1中S2一实施例的流程示意图；
图5为图1中S3一实施例的流程示意图；
图6为对带有大面积类金刚石薄膜的周期性表面介质窗和平面介质窗开展HPM实验，产生的辐射场脉冲脉宽和注入微波功率的关系图；
图7为对带有大面积类金刚石薄膜的周期性表面介质窗和平面介质窗开展HPM实验，在注入相同的高功率微波情况下，产生的两路辐射场脉冲波形的比较示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本实施例公开一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法，包括：
S1、将有机聚合物介质窗表面加工成波浪状的周期性表面结构；
S2、对所述波浪状的周期性表面结构进行预处理；
S3、在真空炉内，抽真空至1-2Pa，充入气压在预设范围内的气体纯度大于预设阈值的含碳气相分子作为源气体，将经过所述预处理的所述介质窗固定于阳极表面，采用阳极层离子束技术，通过加直流电压或馈入微波，在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜；
S4、对表面生长薄膜的介质窗进行高压去离子水枪清洗和预设时长的去离子水超声清洗，去除所述薄膜的无定性态碳元素成分。
本发明实施例中，如图2所示为窗外径为40cm的镀大面积类金刚石薄膜的带周期性表面结构的介质窗的样件示意图。
本发明实施例周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法，先将有机聚合物介质窗表面加工成波浪状的周期性表面结构，然后依次经过预处理、镀膜和去碳的过程在所述介质窗表面镀大面积类金刚石薄膜层，而周期性表面结构能够提高介质窗的击穿阈值，同时，金刚石薄膜层具有高热导率、高绝缘性能、耐高温烧蚀、抗老化能力，可以有效地保护所述介质窗表面不受高梯度微波电场产生的等离子体的轰击，提高了介质窗的抗击穿性能，因而能够解决现有技术不能有效地提高真空侧介质窗表面HPM击穿阈值的问题。
可选地，在本发明周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法的另一实施例中，所述波浪状的周期性表面结构的周期尺寸小于馈入的微波波长的1/30。
本发明实施例中，预设阈值可以为99.9％，含碳气相分子可以为甲烷。对于微波频率在4GHz～10GHz范围，周期性表面结构的周期尺寸在1mm～2.5mm范围，介质窗外径为40cm的情况，经过该发明实施例的步骤，在所述介质窗表面直径为40cm的区域内能够均匀生长厚度小于1μm的薄膜。
可选地，在本发明周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法的另一实施例中，所述波浪状的周期性表面结构的剖面的形状为三角形或梯形。
本发明实施例中，波浪状的周期性表面结构的剖面的形状为三角形或梯形，也可以为其它形状，本发明对此不作限定。如图3所示为剖面形状为等边三角形的周期性表面结构的局部放大示意图(该等边三角形的边长为1mm，倾角为60度)。
可选地，参看图4，在本发明周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法的另一实施例中，所对所述波浪状的周期性表面结构进行预处理(S2)，包括：
S20、对所述波浪状的周期性表面结构进行表面净化处理；
S21、在真空度小于1Pa的真空炉内，对表面净化处理后的波浪状的周期性表面结构进行氩等离子体轰击清洗。
本发明实施例中，对波浪状的周期性表面结构进行预处理，是为了去除介质窗表面加工过程中产生的表层缺陷和杂质。对介质窗表面进行氩等离子轰击清洗的方法是：在真空炉内，将经过蒸馏水清洗和乙醇清洗的介质窗固定于阳极表面，抽真空至小于1Pa，充入气压为2-4Pa的氩气，进行等离子体轰击清洗5-10分钟。
可选地，在本发明周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法的另一实施例中，所述表面净化处理包括：高压水冲洗、去离子水清洗和/或乙醇清洗。
可选地，参看图5，在本发明周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法的另一实施例中，所述采用阳极层离子束技术，加直流电压或馈入微波，在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜(S3)，包括：
S30、通过加直流电压或馈入微波，电离所述源气体的气体分子，激发所述源气体发生化学反应，分解成碳基团、氢基团，以及碳氢基团，形成等离子体；
S31、对所述等离子体进行电场加速，所述等离子体在电场加速作用下获得能量，碰撞所述介质窗的波浪状的周期性表面，从而在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜。
本发明实施例中，采用阳极层离子束技术，通过加直流电压或馈入微波，电离源气体的气体分子，激发源气体发生化学反应，分解成碳基团、氢基团，以及碳氢基团，形成无热丝、高离化率、高离化能、长时间内运行稳定的等离子体。通过对所述等离子体进行电场加速，使所述等离子体在电场加速作用下获得较高能量，碰撞介质表面，反应沉积时间在40～60min，实现在周期性介质表面大面积均匀生长厚度小于1μm的薄膜。然后关闭电源，冷却30min后，取出带有大面积金刚石膜的周期性表面介质窗。大面积金刚石镀膜成型过程中，表面会形成酥松、容易脱落的石墨成分，它是碳元素的无定性态。由于石墨是导电材料，影响介质窗的传输性能，并可能导致介质窗表面微波的热沉积，需通过高压去离子水枪清洗和20分钟去离子水超声清洗，以去除金刚石薄膜的碳元素成分。
可选地，在本发明周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗的制作方法的另一实施例中，在步骤：在所述的表面生长薄膜之后，还包括：
对波浪状的周期性表面生长有薄膜的介质窗进行冷却处理的步骤。
本发明实施例中，在对波浪状的周期性表面生长有薄膜的介质窗进行冷却处理之后，对该带有大面积类金刚石薄膜的周期性表面介质窗和平面介质窗开展HPM实验，检测产生的辐射场脉冲脉宽和注入微波功率的关系，如图6所示。对于平面介质窗，随着注入的微波功率的提高，辐射场脉冲脉宽逐渐变窄，如图6中数据(*)所示。对于带类金刚石镀膜的周期性表面结构的介质窗，随着注入功率的提高，辐射场脉冲脉宽不缩短，如图6中数据(o)所示。在注入相同的高功率(109W级)微波的情况下，平面介质窗产生的两路辐射场脉冲波形如图7中上图所示，带类金刚石镀膜的周期性表面结构的介质窗产生的两路辐射场脉冲波形如图7中下图所示。可以看出，对于平面介质窗，两路辐射场脉冲波形都尾蚀严重，对于带类金刚石镀膜的周期性表面结构的介质窗，两路辐射场脉冲波形完整。
本实施例公开一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的HPM输出窗，包括：该HPM输出窗是将有机聚合物介质窗按照前述HPM输出窗的制作方法任一实施例所述的方法进行处理得到。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的高功率微波输出窗的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
将有机聚合物介质窗表面加工成波浪状的周期性表面结构；
对所述波浪状的周期性表面结构进行预处理；
在真空炉内，抽真空至1-2Pa，充入气压在预设范围内的气体纯度大于预设阈值的含碳气相分子作为源气体，将经过所述预处理的所述介质窗固定于阳极表面，采用阳极层离子束技术，通过加直流电压或馈入微波，在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜；
对表面生长薄膜的介质窗进行高压去离子水枪清洗和预设时长的去离子水超声清洗，去除所述薄膜的无定性态碳元素成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波浪状的周期性表面结构的周期尺寸小于馈入的微波波长的1/30。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述波浪状的周期性表面结构的剖面的形状为三角形或梯形。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤：对所述波浪状的周期性表面结构进行预处理，包括：
对所述波浪状的周期性表面结构进行表面净化处理；
在真空度小于1Pa的真空炉内，对表面净化处理后的波浪状的周期性表面结构进行氩等离子体轰击清洗。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述表面净化处理包括：高压水冲洗、去离子水清洗和/或乙醇清洗。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用阳极层离子束技术，加直流电压或馈入微波，在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜，包括：
通过加直流电压或馈入微波，电离所述源气体的气体分子，激发所述源气体发生化学反应，分解成碳基团、氢基团，以及碳氢基团，形成等离子体；
对所述等离子体进行电场加速，所述等离子体在电场加速作用下获得能量，碰撞所述介质窗的波浪状的周期性表面，从而在所述介质窗的波浪状的周期性表面生长薄膜。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤：在所述的表面生长薄膜之后，还包括：
对波浪状的周期性表面生长有薄膜的介质窗进行冷却处理的步骤。
8.一种周期性刻槽表面镀有类金刚石薄膜的高功率微波输出窗，其特征在于，包括：该高功率微波输出窗是将有机聚合物介质窗按照前述权利要求1至7任一项所述的方法进行处理得到。
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