金属射频结构真空击穿研究是高功率微波(HPM)器件研究的基础性工作之一,对其开展研究对于解决HPM器件的脉冲缩短问题、提高器件的性能指标具有重要意义。考虑到金属材料在真空中的直流击穿与射频击穿在微观物理机制和实验规律上具有相似性,本文在对金属真空击穿机制和规律分析的基础上,采用粒子模拟和实验研究的方法,对HPM产生器件中常用的金属材料开展了脉冲直流条件下的真空击穿特性研究。主要内容如下:1、对金属真空击穿的机制进行了调研,得到以下结论:经典的晶须爆炸模型只给出了简单的过程,缺乏细节描述以及等离子体持续发展过程分析;Ecton模型的核心观点是爆炸发射是周期性的持续过程,表面形貌击穿后能为后续的击穿提供条件;真空度为10-2Pa~10-4Pa时,材料表面释气是射频击穿的主要原因,该模型的核心观点是表面吸附气体对于发射过程的雪崩式发展不可或缺的;局部微观射频场强达到10GV/m的量级时会出现场致拉升现象,该模型的核心观点是发射的初始过程是强场的拉伸导致表面破碎,场致发射电流轰击碎片导致等离子体产生和发展。2、利用粒子模拟软件对击穿等离子体发展过程进行模拟,得出了粒子在空间中分布随时间的变化,分析了外加磁场、真空度对等离子体发展过程的影响。模拟中得到的结果为:电子与离子在阴阳极之间是雪崩式的发展过程,真空度的降低会导致等离子体从阴极发展到阳极的速度变快,导致阴阳极之间更容易形成导电通道。而磁场的存在主要是约束带电粒子在垂直于磁场方向的运动,所以磁场对等离子体发展的影响与磁场的方向有关。3、设计并搭建了开展金属材料脉冲直流真空击穿研究的实验平台。该平台的等效阻抗约为10?,通过主开关气压的调节可以稳定输出幅值达400kV,底宽200ns左右的电压脉冲。通过调节水电阻阻值可以实现阻抗匹配,阻抗变化可以通过电压波形直观地反应出来。平台利用动密封装置可在线调节阴阳极间距,真空度的调节范围从100Pa到10-3Pa。设计了三针状电极结构,借助高速相机诊断在相同实验条件下可以比较不同材料的击穿阈值。4、对HPM器件中常用材料的击穿特性开展了实验研究。结果表明:直流电压脉冲底宽为200ns的情况下,机械加工精度为0.01mm时,不锈钢的击穿阈值可达46~56MV/m,高于铜的38~43MV/m以及铝的36~39MV/m。并测量了不同真空度下阴阳极击穿时对应的阴阳极间距,结果真空度为10-1Pa量级时所需的击穿场强最高,并且整体趋势符合PD曲线的结果。对比电极电化学处理前后的实验结果,表明了电化学表面处理可以提高直流真空击穿阈值。通过对不同材料击穿前后的表面状态的对比发现:击穿对于表面状态的改变对铜、不锈钢等熔点较高的点击来说材料表面的性状改变较小,仅限于微小区域内,而铝电极表面状态则出现了局部区域的较大的起伏。