星载大功率射频器件微放电阈值与空间电子初始浓度相关性研究

The multipactor effect may cause serious damage to the spacecraft’s RF systems, which is one of the key technical bottlenecks affecting the reliability of the spacecraft. Due to the lack of a quantitative control method for initial electron concentration within device’s component, the systematic experiments for the initial electron have not yet been carried out at home and abroad. The multipactor theory model is only applicable to the multipactor threshold prediction when the initial electrons are sufficient. In our previous exploration experiments, we found that when the Cs-137 electron source was removed from the test device or a metal baffle was added between them, the multipactor threshold of the test device was significantly raised. In view of the above phenomenon, for the first time, the correlation between the multipactor threshold and the initial electron concentration will be taken as the research object. The rectangular waveguide will be used as the multipactor test device, and the initial electron injection and quantization control will be implemented by using the interference-free slitting technology. Through this project, a quantitative control method for the initial electron concentration in the multipactor test will be established, the correlation between multipactor threshold and initial electron concentration of commonly used aerospace materials will be obtained, the quantitative requirements for the initial electrons in the multipaction test standards will be improved, and a new model for threshold calculation of multipactor with initial electronic parameters will be explored. In this way, the reliability of multipactor design for spacecraft RF devices and the effectiveness of ground tests will be greatly improved.

微放电效应可能导致星载射频系统严重损坏，是影响航天器可靠性的关键技术瓶颈之一。由于缺少部件内部初始电子浓度的量化控制方法，导致国内外针对初始电子的系统性试验尚未开展，现有微放电理论模型也仅适用于足量初始电子时的放电阈值预测。我们在前期探索试验中，发现当Cs-137电子源远离试验件或二者之间增加金属挡片时，试验件放电阈值明显抬升。针对上述现象，本项目首次以微放电阈值与初始电子浓度二者相互关系为研究对象，以矩形波导作为放电试验件，采用无干扰开缝技术实现初始电子注入及量化控制。拟通过本项目，建立微放电试验中对于初始电子浓度的量化控制方法，获得常用航天材料微放电阈值与初始电子浓度关系曲线，完善现有微放电试验标准中对于初始电子的量化指标要求，探索含有初始电子参量的微放电阈值计算新模型，从而大幅提升航天器射频器件微放电设计的可靠性和地面试验的有效性。

随着空间射频技术发展，微波部件工作功率越来越高，微放电效应已成为制约空间微波部件向更高功率容量发展的一个重要技术瓶颈。现有的微放电效应机理研究仅停留在有无初始自由电子，而对于初始电子的浓度、能谱、入射方向、电子源类型等因素尚未展开试验或理论分析。初始自由电子方面研究的缺失，从根本上制约了微放电阈值计算模型的精度，也导致现有微放电试验标准对诱发微放电效应的关键因素──初始自由电子难以提出合理量化要求。.项目组在国家自然基金委的资助下，对微放电试验初始自由电子开展了专项量化研究。改进了传统微放电标准件的结构设计，将传统标准件的5段式纵向结构优化成2片式横向结构，改进方案在提升标准件组装重复性的同时使得标准件的试前清洁更加彻底，大幅提升了微放电标准件阈值测量的准确性与稳定性，新方案已获国家专利授权。提出了封闭波导腔体初始自由电子无损注入与控制方案，初始自由电子由矩形波导宽边中央纵缝直接注入，通过放射源等效活度控制装置实现微放电敏感区域电子浓度控制，使得开展射频器件微放电初始自由电子浓度量化研究成为可能，初始自由电子注入与控制方案已申请国家专利。基于放射源置于壳体内的等效活度标定结果，借助微观粒子仿真工具建立了微放电敏感区域平衡态初始自由电子浓度计算模型，得到与实验相符合的仿真结果。基于初始自由电子浓度半物理仿真和微放电试验实测数据，完成了微放电敏感区域初始自由电子浓度与微放电阈值相关性试验，测得了初始自由电子浓度与微放电功率阈值、阈值功率下首次放电延时及频率数据，给出了航天器射频器件地面微放电试验相关改进建议，建立了含有初始自由电子浓度参量的微放电阈值模型。.通过本项目的开展，初步完成了射频器件微放电敏感区域初始自由电子浓度与微放电阈值的相关性研究，有助于微放电理论模型的优化和实验标准的进一步完善，对于提升航天器射频器件微放电设计的可靠性具有较强的理论和现实意义。