石墨型高能气体开关的电极使用寿命分析

两电极气体开关是大型激光装置能源模块中开关元件的重要候选方案。分析石墨材料相比于传统金属材料烧蚀的特殊性。由于高能脉冲放电(转移电荷量大于25 C)时,石墨烧蚀质量损耗与转移电荷量呈线性关系,提出可用于评估电极使用寿命的烧蚀速率,并给出了实用的烧蚀速率测算方法。针对等电场面设计的石墨电极,提出表征石墨电极在使用过程中的电气寿命模型及相应的寿命终结判据,并对所研制的一种单次转移电荷量超过100 C的石墨型高能气体开关进行了寿命预测和试验验证。所得结论对石墨型高能气体开关的研制和使用具有参考意义。     

水中脉冲放电电极的烧蚀特性

为研究水中大功率脉冲放电电极的烧蚀特性,研制了基于液电效应、脉冲功率、频谱共振理论的页岩储层改善装置,该装置最高脉冲电压为30 kV,最大脉冲频率为50 Hz,充分满足页岩储层共振需求。利用COMSOL有限元仿真软件求解装置水中二维轴对称的放电模型,得到剧烈放电阶段水间隙的温度场分布变化特性,以及电极表面的温度分布特性和烧蚀特性。模拟结果表明:剧烈放电初始阶段阳极温度更高,并呈现钟形向阴极快速发展;剧烈放电尾声,阴极附近的温度更高;放电结束后,电极表面温度最高点呈现出与电极同圆心的圆环状,越靠近圆环,电极表面温度越高;放电结束后阳极的熔池半径为阴极的1.45倍,阳极的熔池深度为阴极的2.25倍,导致阳极烧蚀程度比阴极严重,该结论与试验结果相符;并通过仿真得到了不同电极间隙距离、不同水压工况对电极烧蚀程度的影响。     

脉冲电弧对钨铜电极表面侵蚀形态的研究

基于热传导观点,选择了具有高熔点的金属钨和具有良好热传导性能的金属铜作为强脉冲电流放电开关,试验验证了在总转移电荷量一定的情况下,开关电极的侵蚀量和电极表面的侵蚀形态与单次电荷的转移量直接相关;从力学和热学观点出发,结合钨铜材料的制作工艺,分析了脉冲电弧和电极之间的作用机理,认为在脉冲电弧作用下,钨铜电极表面裂纹与材料中的孔隙有关。     

面向μ-CAT的真空沿面电弧放电及烧蚀产物特性

针对微阴极电弧推力器(μ-CAT)应用开展了真空沿面电弧放电过程和产物特性研究，结合放电参数、辐射光谱和高速图像诊断，研究电脉冲作用下放电等离子体形成和演变过程，分析不同磁场下等离子体通道和羽流时空演化规律；收集喷溅产物进行形貌分析，对比不锈钢和钛电极下放电烧蚀产物的宏、微观特性。结果表明，放电起始于“电极-真空-涂层”的三结合点，随后涂层局部放电形成沟通两电极的沿面放电通道；外施100m T量级的磁场能够改善放电连续性和羽流形貌(发光截面可达无磁场时的2倍)；放电结束后，电极热产物喷射过程可持续50～60μs，且阴、阳极存在差异。从收集到的喷溅产物来看，金属电极材料的沉积以均匀分布的纳米颗粒为主，而电极上方Si片沉积呈现微米级无定形石墨形貌。电极烧蚀典型喷溅产物和熔池特征受到电极材料的影响，不锈钢相对于钛电极的产物粒径及电极烧蚀坑尺径更大。因此，磁场、电极材质对真空沿面放电过程及产物形貌有一定影响，从而对μ-CAT性能产生影响。     

电极材料对脉冲放电产物一氧化氮的影响研究

用铝、黄铜、不锈钢、钼、钨和石墨等材料分别制作了相同尺寸的针、板电极,用负脉冲电弧放电装置研究了材料对放电产物NO气体体积分数的影响。实验结果显示,电极材料对NO、NO2气体体积分数和NO2/NO比值有一定影响。故用脉冲电弧放电产生医用NO气体时,可以通过对电极材料的选择与组合,来降低脉冲电弧放电过程中产生的NO2体积分数。     

大气压纳秒脉冲裸电极放电的粒子模拟研究

大气压纳秒脉冲放电由于能量利用率高、可以生成多种活性粒子且容易形成均匀的放电等优势,在等离子体环境、医学等应用方面具有广阔的前景。为此借助于粒子模拟方法,研究了在裸电极条件下,纳秒脉冲放电的演化过程及放电机理。由于电极表面没有覆盖介质,在脉冲电压施加过程中,只能观察到一次放电,放电电流一般在电压下降沿开始时刻附近达到最大值。在电压上升沿及坪区阶段,鞘层电场持续增强,鞘层厚度逐渐变薄,电子能量概率分布函数存在明显的高能尾部,电子与离子数密度可以达到很高的数值;放电的熄灭主要是由于脉冲电压的下降造成的,即使在脉冲电压下降阶段,由于前面阶段放电剧烈鞘层电场非常强,碰撞电离依旧可以持续一定的时间。通过粒子模拟研究脉冲电压驱动的裸电极放电,并与相应的介质阻挡放电比较,有助于深化对纳秒脉冲激励的放电演化过程与内在机理的认识。     

电极材料对脉冲放电产物一氧化氮的影响研究

用铝、黄铜、不锈钢、钼、钨和石墨等材料分别制作了相同尺寸的针、板电极，用负脉冲电弧放电装置研究了材料对放电产物NO气体体积分数的影响。实验结果显示，电极材料对NO、NO2气体体积分数和NO2／NO比值有一定影响。故用脉冲电弧放电产生医用NO气体时，可以通过对电极材料的选择与组合，来降低脉冲电弧放电过程中产生的NO2体积分数。     

石墨替代活性炭对空气电极性能的影响

在制备空气电极时,用石墨部分替代活性炭,并添加总质量20%的氧化银(Ag_2O)作为活性物质。通过XRD分析银在空气电极各个状态下的相组成,发现起到电催化剂作用的是Ag单质。随着石墨添加量的增加,空气电极的放电电压提高、循环寿命延长,原因是空气电极中添加石墨后,内阻降低。当石墨添加量为40%时,空气电极的放电电位为1.26 V(vs.Zn),循环55次后的放电电位(vs.Zn)保持在1.2 V以上。     

旋转电弧间隙开关的电极烧蚀

为减小开关电极烧蚀 ,延长开关的寿命 ,设计了一个旋转电弧场畸变间隙开关 ,方法是使开关间隙放电产生的电弧在外加磁场或自身产生的磁场的驱动作用下沿着开关电极的表面运动 ,从而达到减小开关电极烧蚀的效果。给出了不同开关结构、不同电极材料和不同电流波形情况下的大电流烧蚀的微观照片。结果表明旋转电弧场畸变间隙开关能够有效地减轻开关电极的烧蚀程度     

微型断路器短路开断过程中电极烧蚀特性仿真研究

短路开断过程中电极烧蚀严重影响微型断路器开断性能和使用寿命,因此研究短路开断过程中微型断路器电极烧蚀特性具有重要意义。该文建立了电极烧蚀模型,该模型综合考虑了电极材料相变、电弧与电极表面之间的能量平衡关系以及烧蚀过程中边界的移动问题。测量了电弧在动静触头之间的停滞时间以及电弧电流波形,并基于二者获得了电极烧蚀过程中的电弧电流波形,将该电流波形作为模型的输入电流,利用该文电极烧蚀模型计算了短路电流为3k A时电极的温度分布,烧蚀体积和烧蚀质量,并与实验测得的烧蚀质量数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。此外,基于该模型分析了短路电流为3k A时电弧停滞时间以及氧化锡质量分数对电极烧蚀质量的影响,结果表明在0.5~1ms范围内随着电弧停滞时间的增加,触头烧蚀质量近似线性增加,并且斜率约为7.06mg/ms;对于氧化锡质量分数分别为8%、10%和12%的银氧化锡材料,随着电极材料中氧化锡质量分数的增加,电极烧蚀质量增加比较平缓,整体上三种不同电极材料的烧蚀质量在4.5~4.8mg之间。