空氣中微波擊穿電場的計算

　　本文采用擴散控制的微波擊穿模型，計算了低氣壓空氣的微波擊穿電場。為獲得簡單而直觀的計算方法，利用了直流場中的氣體放電基本參量，給出了微波擊穿電場的計算過程。通過合理的數(shù)學(xué)處理，推導(dǎo)出計算微波擊穿電場的簡單公式。計算結(jié)果顯示，微波擊穿電場與氣壓的關(guān)系呈現(xiàn)出典型的帕邢曲線，即在某個氣壓時擊穿電場最小。最低擊穿電場及其對應(yīng)的氣壓，也以簡單公式的形式在文中給出。用簡單公式計算出的擊穿電場與文獻(xiàn)的實驗結(jié)果基本符合，表明簡單公式是正確的。在此基礎(chǔ)上，探討了影響擊穿電場的因素。結(jié)果表明，等效直流場和電子平均溫度均與微波頻率無關(guān)，它們均是氣壓與特征擴散長度乘積的函數(shù)。微波擊穿電場并不是氣壓與特征擴散長度乘積的函數(shù)，而是分別受氣壓、微波頻率、特征擴散長度的影響。頻率越高，擊穿電場越大。特征擴散長度越大，擊穿場強越小。

　　在航天設(shè)備從地面升入太空過程中，設(shè)備中的微波電子器件將經(jīng)受環(huán)境氣壓從大氣壓到真空的變化過程。當(dāng)航天設(shè)備處于某個高度，對應(yīng)的氣壓為某個低氣壓時，一些器件會發(fā)生擊穿現(xiàn)象而損壞，致使整個航天設(shè)備的可靠性下降。因此，為提高航天設(shè)備的可靠性，研究低氣壓情況下氣體微波擊穿的基本規(guī)律是十分必要的。

　　一般而言，氣體在微波電場作用下，會產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。根據(jù)氣體壓強的不同，微波擊穿的機理不同。在真空狀態(tài)下，放電空間氣壓很低，電子幾乎不與空間氣體分子發(fā)生碰撞，此時的微波擊穿往往與器壁上的2 次電子發(fā)射效應(yīng)有關(guān)，微波擊穿對應(yīng)的機理可以用/ 2 次電子倍增效應(yīng)0描述。在低氣壓狀態(tài)下，放電空間的氣壓相對于真空較高，電子將與空間氣體分子發(fā)生碰撞，此時的微波擊穿往往與電子在空間的擴散運動有關(guān)，微波擊穿的機理可以用/ 電子擴散控制0 的擊穿機理描述。

　　采用電子擴散控制的擊穿機理，雖然已有許多研究，但是，這些研究均沒有明確給出微波擊穿電場的表達(dá)式，這對于實際應(yīng)用是不方便的。

　　本文利用直流情況下已有的氣體放電基本概和表達(dá)式，對于規(guī)則的放電結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出了計算微波擊穿電場的表達(dá)式。這對于快速、簡便、直觀地了解影響微波擊穿的因素，總結(jié)微波擊穿的規(guī)律，是有現(xiàn)實意義的。在此基礎(chǔ)上，本文探討了氣壓、微波頻率、特征擴散長度等參量對微波擊穿電場的影響。

4、結(jié)論

　　對于那些可以用特征擴散長度描述的規(guī)則放電系統(tǒng)，本文利用直流場中的氣體放電基本參量，給出了基于擴散模型的微波擊穿電場的計算方法。通過合理的數(shù)學(xué)處理，給出了計算擊穿電場的簡單公式。計算結(jié)果與文獻(xiàn)的實驗結(jié)果基本符合。簡單公式的得出，對于直接、快速的了解影響微波擊穿的各種因素，總結(jié)微波擊穿的基本規(guī)律，以便于指導(dǎo)實際工作，起到積極的作用。

　　公式表明:

　　(1) Eeff/ p 、Te 均與頻率無關(guān)，它們都是p+ 的函數(shù)。隨著p+ 的增加，Te、Eeff/p 減小，并且變化趨勢減緩。

　　(2) 微波擊穿電場并不是p+ 的函數(shù)，而是氣壓p 、頻率f 、特征擴散長度+ 的函數(shù)。

　　( 3) 微波擊穿電場與氣壓P 的關(guān)系呈現(xiàn)出典型的帕邢曲線形式，即在某個氣壓時擊穿電場最小。這對于微波電子器件在升入太空過程中至關(guān)重要。器件的設(shè)計應(yīng)該使得它在該氣壓時不能擊穿。電場頻率越高，最低點位置氣壓越高，最低擊穿電場越大。特征長度越大，最低點氣壓位置越小，最低擊穿場強越小。

　　(4) 隨著特征擴散長度的增加，擊穿電場逐步減小。

　　(5) 隨著微波頻率的增加，擊穿電場增加。