纳秒脉冲放电等离子体沉积复合薄膜抑制介质窗真空表面闪络

Due to the advance of high power microwave (HPM) technology with high power, the surface flashover at the interface of vacuum-dielectric window is observed frequently, which limits the development of HPM technology. This phenomenon can constrain the output power and increase loss, even cause the damage of dielectric window by the heat effect. Therefore, in order to suppress the surface flashover, the treatment method of dielectric window material by composite film deposition with nanosecond pulse discharge plasma is proposed. By this method, the composite film with nonlinear graded permittivity can regulate the electric filed distribution and reduce the concentration of the electric filed. Meanwhile, the physical morphology and chemical composition that associated with threshold of surface flashover can be modified. The effects of treatment conditions on the characteristics of physicochemical and the related mechanisms of surface flashover in vacuum are investigated, respectively. Thus, surface micro/nano film with higher flashover threshold and higher stability are constructed by the optimum of plasma surface modification process. This project is meaningful for the high power and practical application of HPM devices and the extending of plasma application area.

随着高功率微波技术向高功率发展，介质窗表面的真空闪络击穿问题日益显现，成为限制该技术发展的瓶颈。真空表面闪络不仅限制了微波输出功率，同时还会增大损耗，甚至引起输出窗过热烧毁。为了抑制介质窗真空表面闪络，结合介质窗表面电场分布特点，本项目拟采用纳秒脉冲放电等离子体对介质窗材料进行处理，在介质表面沉积介电常数非线性梯度变化的复合薄膜结构。旨在通过非线性梯度薄膜调控电场分布、削弱局部场强集中；同时，控制薄膜表面的物理形貌和化学结构，抑制初级电子的产生和二次电子的发展过程，提高真空表面闪络阈值。重点研究处理条件对处理后介质表面理化特性的影响关系；深入分析介质表面理化特性对真空表面闪络发展物理过程的影响机制；指导和优化等离子体改性处理工艺，构筑高耐压、高稳定性的介质表面微纳薄膜结构。本项目对高功率微波系统的高功率化和实用化发展，以及拓展低温等离子体的应用领域具有重要意义。

随着高功率微波器件的输出功率增加,介质窗及器件的沿面闪络击穿问题逐步显现，目前已成为该技术发展的瓶颈。该击穿的产生不仅限制了辐射到目标物体上的微波功率，降低了微波源的利用效率；同时还会增大天线损耗，引起天线辐射性能的急剧下降，严重时甚至引起输出窗过热烧毁。针对以上问题，本项目在深入分析介质窗真空闪络击穿机理的基础上，重点研究利用大气压放电等离子体改性技术抑制真空介质面闪络击穿的方法。重点研究处理条件对处理后介质表面理化特性的影响关系；深入分析介质表面理化特性对真空表面闪络发展物理过程的影响机制；指导和优化等离子体改性处理工艺，构筑高耐压、高稳定性的介质表面微纳薄膜结构。本课题对高功率微波系统的高功率化和实用化发展，以及拓展低温等离子体的应用领域具有重要意义。本课题首先自主搭建和完善DBD沉积薄膜装置和APPJ沉积薄膜装置，实现对聚合物试样的表面改性实验。然后对比分析不同处理方法前后改性效果和稳定性。DBD处理、APPJ处理和直接氟化处理均可不同程度的提高沿面闪络击穿电压。其中，DBD等离子体沉积SiCxHyOz薄膜可以加快表面电荷消散速率，沿面闪络电压提高30 %以上。经APPJ沉积TiN薄膜后，介质材料表面耐压性能最优，比未处理试样提高53%；并且，处理后受极性基团影响小，具有较好的稳定性。DBD沉积和表面氟化处理后，引入极性基团，表面电荷消散加快（电场畸变减弱），沿面闪络阈值电压升高。APPJ沉积TiN薄膜后，表面粗糙度增大，引入微陷阱结构，大幅抑制二次电子产额，沿面闪络电压大幅提高。利用大气压等离子体沉积技术，制备了基于二氧化钛涂层的功能梯度材料，沉积后表面电场降低66%，沿面闪络电压提高36%。