高壓納秒脈沖下真空絕緣沿面閃絡(luò)特性研究.pdf

1、真空-絕緣體交界面是一個(gè)物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均不同于真空狀態(tài)和絕緣介質(zhì)內(nèi)部的物質(zhì)相，真空絕緣沿面閃絡(luò)現(xiàn)象的存在嚴(yán)重制約著高壓真空電氣設(shè)備的耐壓能力?；诿}沖功率技術(shù)高電壓、大電流、窄脈寬的發(fā)展趨勢(shì)，高壓納秒脈沖真空絕緣沿面閃絡(luò)特性研究具有非常重要的實(shí)踐意義。
　　 基于Marx發(fā)生器及單同軸脈沖形成線，設(shè)計(jì)并建立了一套用于納秒脈沖(10ns/30ns)真空絕緣沿面閃絡(luò)特性研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以聚四氟乙烯、尼龍和有機(jī)玻璃等絕緣材料為研究

2、對(duì)象，對(duì)氣壓、絕緣體形狀、電極材料、電極與絕緣體接觸方式等因素對(duì)沿面閃絡(luò)特性的影響進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，提出真空絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)建議。
　　 通過(guò)電場(chǎng)數(shù)值模擬和理論計(jì)算，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論：(1)陰極三結(jié)合點(diǎn)(電極、真空、絕緣體交界處)在真空沿面閃絡(luò)過(guò)程中的作用，不僅限于絕緣體與陰極間存在的微小空隙導(dǎo)致此處電場(chǎng)增強(qiáng)，更為重要的是，靠近三結(jié)合點(diǎn)區(qū)域的電極表面場(chǎng)致發(fā)射電子相比電極其它部位有更多機(jī)會(huì)與絕緣體表面發(fā)生碰撞

3、，參與沿絕緣體表面的電子倍增過(guò)程；(2)真空絕緣沿面閃絡(luò)電壓與外加電壓隨時(shí)間的上升速率有關(guān)。在直流、交流以及寬脈沖電壓波形條件下，電壓上升速率相對(duì)緩慢，放電時(shí)延內(nèi)電壓增幅可忽略不計(jì)。納秒脈沖電壓上升速率極大，放電時(shí)延內(nèi)電壓增幅較大，納秒脈沖閃絡(luò)電壓高于其它電壓波形；(3)絕緣體表面電荷電場(chǎng)的建立是閃絡(luò)過(guò)程能夠持續(xù)發(fā)展的必要條件。放電之初，絕緣體表面缺乏吸引陰極場(chǎng)致發(fā)射電子向絕緣體表面方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的正電荷，初始電子與絕緣體表面發(fā)生碰撞的幾

4、率非常小。絕緣體表面充電需要一定的時(shí)間過(guò)程，充電時(shí)間與外施電壓波形有關(guān)。真空沿面閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生的最大阻礙在初始階段，納秒脈沖條件下，絕緣體表面充電時(shí)間不應(yīng)忽略。
　　 根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，提出了當(dāng)氣壓處于高真空區(qū)域(10-4Pa-10-1Pa)時(shí)，真空絕緣沿面閃絡(luò)電壓與氣壓變化無(wú)關(guān)的結(jié)論。高真空條件下，背景環(huán)境電子平均自由程遠(yuǎn)大于極間距離，電子碰撞電離已不可能發(fā)生，此時(shí)氣壓與極間距離乘積pd最大值遠(yuǎn)小于巴申定律適用范圍內(nèi)的pd最小值

5、(100mm·Pa)。沿面閃絡(luò)發(fā)生并非依賴背景環(huán)境氣體分子，絕緣體表面吸附氣體釋放是導(dǎo)致閃絡(luò)發(fā)生的關(guān)鍵。根據(jù)克努森(Knudsen)余弦漫反射定律，推證固體表面吸附氣體層形成非常迅速。由于電子質(zhì)量與分子質(zhì)量間的巨大差異，吸附氣體分子脫附并非主要依靠電子能量和動(dòng)量的直接轉(zhuǎn)移，而是受到電子的激勵(lì)和離解，從低能態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)——激發(fā)態(tài)或電離態(tài)，導(dǎo)致吸附分子在固體表面平衡受到破壞，分子間碰撞加劇，進(jìn)而使吸附分子克服固體表面位壘脫附到真空中。在

6、初始電子激勵(lì)下，氣體脫附過(guò)程始于閃絡(luò)發(fā)生之前。閃絡(luò)發(fā)生之時(shí)，絕緣體表面已形成良好的氣體放電環(huán)境。真空沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，事實(shí)上是一種在絕緣體表面氣體脫附后形成一高氣密環(huán)境中發(fā)生的貫穿性放電過(guò)程。
　　 分析探討了目前真空絕緣沿面閃絡(luò)機(jī)理的研究成果，闡述電子觸發(fā)極化松弛理論研究背景與納秒脈沖真空沿面閃絡(luò)間存在的較大差異。認(rèn)為電子觸發(fā)極化松弛理論不適于分析納秒脈沖沿面閃絡(luò)問(wèn)題，基于電子激勵(lì)解吸附原理的二次電子崩理論對(duì)解釋納秒脈沖真空沿面閃

7、絡(luò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為適宜。對(duì)發(fā)生于納秒脈沖上升沿的真空沿面閃絡(luò)而言，外施電場(chǎng)處于持續(xù)上升過(guò)程直至閃絡(luò)通道貫穿，整個(gè)閃絡(luò)過(guò)程并未真正達(dá)到貫通兩極的一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)(二次電子發(fā)射系數(shù)為1)，而是一個(gè)從陰極沿絕緣體表面向陽(yáng)極不斷推進(jìn)，漸進(jìn)地向相對(duì)平衡狀態(tài)不斷逼近的過(guò)程。真空沿面閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生的實(shí)質(zhì)是電子沿絕緣體表面的倍增過(guò)程，依據(jù)電子激勵(lì)解吸附二次電子崩理論推導(dǎo)得出沿面閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)、閃絡(luò)電壓與各相關(guān)物理參數(shù)間的關(guān)系表達(dá)式，據(jù)此得出的關(guān)系曲線與分析結(jié)論相符