场致发射影响微间隙气体放电形成的模拟

当间隙间距达到几微米时,其击穿电压将与帕邢曲线显著偏离。文中以间隙间距4μm为典型研究对象,基于网格质点法耦合蒙特卡洛碰撞(PIC-MCC)建立这种微间隙气体放电形成过程的仿真模型,并分析了考虑与不考虑场致电子发射对这种微间隙气体放电形成过程的影响,获得了放电形成过程中不同粒子数密度时空分布、不同粒子速度分布和电场分布等随时间的变化,最后通过分析与讨论得到了间隙间距在2～5μm左右范围时,形成微间隙气体放电过程的主要因素是阴极场致电子发射和随后的离子增强场致电子发射;而当间隙间距小于1μm时场致电子发射将会在形成微间隙气体放电过程中起到主要作用。     

基于气压及间距变化的微间距放电特性分析*

微间距放电特性是影响设备微型化发展的重要因素之一,为深入探究微间距放电在不同环境下的特性,搭建试验平台,进行了微间距不同气压气体放电及沿聚酰亚胺薄膜(PI)表面放电试验。在1~100 kPa气体放电试验中,发现电极间距大于10 μm时的击穿电压随气压的走势与间距小于10 μm时的走势存在较大差异,主要原因是电极间距小于10 μm时,击穿过程受到离子增强场致发射效应影响。间距大于10 μm时,击穿电压随气压变化的敏感度与电极间距成正相关;而间距小于10 μm时,由于碰撞电离程度较低,其敏感度显著降低,且随着气压的升高而下降。大气压下对比纯气隙与沿PI表面放电,电极间引入PI薄膜后,击穿电压有了一定的降低,相较于纯气隙放电,沿面击穿电压对电极间距的敏感度更低。     

单针–板结构负电晕放电器件特性研究

基于电晕放电原理的气体传感器利用局部高电场将样本气体电离,根据电离特性进行气体识别。宏观尺度下的电晕放电特性研究较多,但对于微尺度下的电晕放电特性研究尚未深入。以直径为20μm的镍铬丝作为放电电极,搭建了单针–板结构电晕放电器件,研究其在不同间距下的放电过程。实验结果表明:当电极间距d≤0.2 mm时,放电直接发展为火花放电;当电极间距d≥0.5 mm时,初始阶段放电不稳定;随放电电压的增大,输出信号由低频率脉冲阶段逐渐转变为稳定电晕放电,且电极间距越大,起晕电压越高,不稳定电晕阶段越短,初始阶段脉冲幅值越小。以上结果为微尺度下负电晕放电气体传感器的研究提供了理论依据。     

丝段式电热爆过程中的气隙击穿特性

金属丝段落入高压电场中发生电热爆,只能靠两端与电极之间的气体放电导入大电流完成。为系统认识气体放电过程中充电电压、电极间距与击穿气隙之间关系,改变初始充电电压和丝段初始长度,进行系列电热爆试验,同时,测量不同气隙时的放电电流。结果表明,金属丝段进入高压电场中后,存在单气隙放电和双气隙放电两种模式的气体放电。发生单气隙放电时气隙的击穿电压要比双气隙放电时气隙的击穿电压小。电极间距增大后,气隙的击穿电压增大。能够发生双气隙放电时对应丝段的最小长度,为适合电热爆发生的丝段最佳长度。     

甲烷/空气混合气体在针板电极下的微间隙放电特性

研究爆炸性环境下微间隙放电过程及特性对本质安全电路的研究具有指导性意义，但目前爆炸性环境下的微间隙放电特性尚不明晰，且大多从宏观角度进行研究，缺少微观层面的理论分析，该文根据程控微间隙放电实验装置的电极结构，基于流体动力学理论模拟研究了甲烷/空气混合气体在低电压微间隙放电动态过程。通过改变极距、甲烷/空气混合气体体积分数的变化来分析对电子密度、各种正离子数密度、电场强度和平均电子能量的影响，从微观层面分析了微间隙放电机理，并通过试验验证了仿真结果的真实性和可靠性。经研究发现：阴极板附近的正离子鞘层区使得阴极板场强发射发生畸变，畸变为原来的3～5倍，电场强度大于场致发射所需临界电场强度，放电过程中存在场致发射；甲烷体积分数在3.5%～13.5%范围变化时，体积分数每增加5%,CH₄⁺数密度约增加2×10¹⁵ m^-3；当针板距离小于10μm时，电场畸变较大，满足场致发射条件，汤森放电和场致发射共同存在，平均电子能量上升两次；大于或等于10μm时，电场强度畸变程度变弱，低于场致发射电场强度临界值，放电机制...     

真空间隙击穿机理的分析

论述了真空间隙击穿的三种机理（微放电、微粒迁移和场致电子发射）。通过定量的击穿机理分析表明,真空触头间隙击穿的主要原因是:微粒迁移和场致发射引起的阳极蒸发。     

结构参数对介质阻挡放电击穿电压的影响

为了研究介质阻挡放电(DBD)下反应器结构对气体击穿时反应器两端所需外加电压的影响,进行模拟烟气(N2/NO)在DBD下放电的实验,改变气体间隙、介质材料、电极接入方式、内电极材料等参数,分别比较击穿电压的变化。对实验条件下气体间隙的电场分布进行模拟计算,通过分析电场对击穿电压的影响,验证了实验结果的正确性。结果表明:增大内电极直径,减小气体间隙可以降低击穿电压;增大阻挡介质的介电常数对降低击穿电压有利;与内电极作阳极相比,内电极作阴极时击穿电压较低;内电极材料的二次电子发射系数越大,击穿电压越小。     

短间隙的击穿及其短路放电特性研究

为研究IEC安全火花试验装置短路放电的击穿放电机制,针对室温1atm下不同浓度的甲烷空气混合气体,对几百微米~几毫米范围内的击穿实验进行了设计。分析表明对于不同浓度甲烷空气混合气体,击穿电压与电极间距的关系曲线均呈现马鞍形;室温1atm下8.5%甲烷空气混合气体在几百微米~几毫米间隙范围内的最低击穿电压表明试验装置的电容短路放电过程在巴申定律的适用范围之外且其临界击穿间距在几百微米以下。可见,该放电过程中间隙内的碰撞电离效应并不突出,阴极电子发射是其击穿放电的主导机制,该放电过程类似真空放电,通过安全火花试验装置得出不同介质环境的电容电路短路放电波形对此进行了验证。     

大气压空气中尖-尖间隙60kHz高压放电实验研究

大气压低温放电等离子体在点火和辅助燃烧方面有着广泛的应用前景。为此,基于60kHz的高频高压电源,利用尖-尖电极的极不均匀场结构,在空气中获得了稳定的大气压辉光放电,通过测量电压电流并拍摄放电图像,分析了放电过程,并计算得到了电极压降和位移电流。间隙击穿前,间隙距离不变时位移电流随着施加电压而呈线性变化;间隙击穿后,电源输出电压不变时间隙放电电压随着间隙距离而呈线性变化。结果表明放电过程经历3种放电模式(电晕放电、火花放电、辉光放电),放电稳定性随着气体体积流量的增大而减小,在气体体积流量<3L/min时,可以实现稳定辉光放电。相关结果可为等离子体点火和辅助燃烧提供参考。     

阴极曲率半径对微米尺度气隙击穿的影响规律研究

微米尺度气隙击穿特性研究对微结构绝缘性能评价和微放电等离子体应用具有重要意义。该文建立了微米气隙击穿的二维物理模型，利用粒子模拟/蒙特卡洛碰撞(PIC/MCC)方法开展微米气隙击穿过程中电场分布及带电粒子的仿真研究，得到阴极的曲率半径对于微米气隙电场分布、带电粒子分布以及击穿路径的影响规律，并结合实验结果对仿真结果进行了验证，最后讨论分析极不均匀场下微米空气气隙击穿物理过程。结果表明，阴极曲率半径R0对微米尺度击穿特性的影响规律主要分为两个阶段：当R0<5μm时曲率半径的变化对电场畸变的影响较大，进而导致击穿电压变化较大；当R₀>5μm时R₀对电场畸变的影响逐渐变小，对击穿电压影响减弱。当间隙距离d为5μm时阴极场发射电流占总电流的95%以上，证明了场致电子发射成为击穿的主导机制。同时，阴极表面的放电区域面积随曲率半径的增加而增大，进而导致击穿电流增大。研究结果有助于进一步分析和理解微米尺度击穿过程的影响因素及其微观作用机制。