絕緣微堆

絕緣微堆，又稱高梯度絕緣子（High Gradient Insulator, HGI），是一種能有效提升絕緣材料沿面耐壓性能的新型絕緣結構。與單一材料的常規絕緣子不同，它是由毫米量級或更薄的絕緣層與金屬層交替排列，經特殊工藝製作而成，如圖1所示。這種絕緣結構的概念最早由美國的Smith和Gray提出，Lawrence Livermore國家實驗室從20世紀90年代開始即開展了大量針對絕緣微堆的研究工作，國內的中科院電工所、中國工程物理研究院、國防科技大學等單位也對這種新型絕緣結構進行了研究。

耐壓機理

絕緣微堆提高真空沿面耐壓的機理主要基於真空沿面閃絡的二次電子發射崩理論（Secondary Electron Emission Avalanche，SEEA）。一方面，絕緣層厚度與二次電子射程大體相當的情況下金屬層的存在可以阻斷電子崩的連續發展；另一方面，絕緣層與金屬層的交替排布結構會帶來絕緣子表面電場分布的改變，表面產生周期性的徑向電場分量，初始電子在該電場分量的作用下轟擊到絕緣子表面的機率極大地降低，從而抑制閃絡的發生，提高真空沿面閃絡耐壓。實驗研究發現，在同等測試條件下絕緣微堆的真空沿面耐壓性能可以比常規絕緣子成倍地提高（約2~4倍），隨著電壓脈衝寬度的減小絕緣微堆耐壓呈大幅提升趨勢，如圖2所示，因此，絕緣微堆在極短脈衝的脈衝功率系統中套用優勢明顯。

圖2 絕緣子沿面耐壓與脈寬實驗曲線

影響因素

絕緣微堆的結構原理很簡單，工藝實現卻難度巨大，不僅涉及金屬與絕緣介質兩種異性材料的粘接，還涉及疊層間平行度以及熱壓成型溫度、壓力均勻性控制，成品的後加工與表面處理等諸多工藝問題。目前國外研究者實驗發現，絕緣微堆所選材料、疊層厚度比率、製備方法及老煉條件等均對樣品真空沿面耐壓性能有直接影響。尤其是製備工藝直接決定了絕緣微堆的沿面耐壓性能，如圖3所示，不當製備工藝產生的表面缺陷使得絕緣微堆的耐壓性能反而不如常規絕緣子好。

(a)金屬毛刺

套用領域

絕緣微堆主要可套用於介質壁加速器（Dielectric Wall Accelerator，DWA），採用絕緣微堆作為束傳輸通道，可以在絕緣介質壁兩端直接產生加速聚焦電場，可使粒子獲得很高的加速梯度。