综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面, 介绍了国外最具代表性的研究成果, 给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律, 并提出相应的理论模型。在理论仿真方面, 重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献, 给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态, 并提出了一个理论模型, 从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。

介绍了用于模拟介质表面高功率微波击穿的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法, 并采用该方法模拟研究了氩气环境不同气压下的介质表面高功率微波击穿过程, 获得了该击穿过程中粒子数量和电子平均能量的时间变化图像, 并得到了击穿延迟时间。数值模拟结果发现: 在低气压下, 次级电子倍增的作用比较明显, 但电子数量在次级电子倍增饱和后的增速较低, 击穿延迟时间较长; 随着气压的升高, 次级电子倍增的影响逐渐变小, 气体电离逐渐占主导地位, 击穿延迟时间逐渐变短; 在高气压下, 由于介质表面吸收沉积电子而呈负电性, 次级电子倍增消失, 击穿延迟时间由气体碰撞电离来决定。

在X波段微波源(频率9.4 GHz,功率1 GW)下,对4种典型介质窗材料(聚四氟乙烯、有机玻璃、低密度聚乙烯及高密度聚乙烯)在真空中进行了微波放电击穿实验,同时考虑了材料的不同表面处理工艺(表面刻槽和抛光)对其击穿特性的影响,对微波击穿后样品的表面形貌进行了宏观和微观分析,实验观测到:介质表面出现了沿微波电场方向的明显树枝状破坏现象,且材料表面处理工艺对其击穿破坏程度有显著影响,认为树枝状破坏通道与施加的微波场有着密切的关系。通过观察透明有机玻璃内部的树枝状破坏,发现树枝既沿介质表面生长,同时也向介质内部发展。提出了微波作用下介质窗击穿破坏的物理模型,认为微波电场导致树枝状破坏沿电场方向发展,而微波磁场导致树枝状向介质内部发展,并进一步给出了树枝状破坏起始和发展的可能原因。