伪火花放电初始阶段电势势垒形成的仿真研究

伪火花放电是一种工作于巴申曲线左半支的特殊低气压放电,在气体开关、电子束源等方面具有重要应用.当气压较低时,伪火花放电在空心阴极放电阶段的末尾会在阴极孔处形成电势势垒,阻碍阴极腔内电子的流出,从而阻碍放电的进一步发展.为研究电势势垒的形成过程,采用粒子模拟和蒙特卡洛碰撞方法(PIC/MCC),建立了与外回路元件相耦合的...     

大功率伪火花放电开关触发电路的设计

伪火花放电开关的触发技术是伪火花开关研究中的一项重要内容。因为触发方案的选择不仅关系到开关放电室的设计,而且对开关的工作电压范围,工作频率和使用寿命有很大影响。伪火花开关及其触发设计的最主要特征在于它的空心阴极结构,空心阴极的存在既是伪火花间隙放电的先决条件,又为开关的触发单元提供必要的空间和可靠的保护屏障,使得触发部件不受主放电等离子体电流的冲击和烧蚀。笔者提出了伪火花开关触发设计的技术要求,总结了现有伪火花放电开关的触发方法,并对它们的触发效果进行了比较,重点介绍了脉冲辉光放电(脉冲空心阴极)触发和表面放电触发及其发展。     

伪火花放电初始发展过程的仿真研究

伪火花放电是一种引燃于空心阴极结构,主放电通道呈现弥散特征的特殊低气压放电,在脉冲放电开关、电子束源等方面具有重要应用。为研究伪火花放电的初始过程,文中采用粒子模拟和蒙特卡洛碰撞方法(particle in cell/Monte Carlo collision, PIC/MCC),建立了与外回路元件相耦合的二维静电等离子体仿真模型。通过研究电子、离子、电势等参量的演变特征,区分出触发电子推进、汤逊放电、虚阳极形成和透入、空心阴极放电、电势陷阱形成、离子耗尽等一系列子阶段,并确认了到达阳极的电子包含高能和低能两个组分。此外,研究了气压和初始电子参数对触发时延和阳极电流峰值的影响规律。仿真结果表明:气压和初始电子参数通过作用于阴极孔附近的离子密度和阴极空腔内部的电子密度分别对触发时延和电子电流峰值产生影响;随着气压、注入电荷量、电子能量和注入时间的增大,以及触发极位置的前移,触发时延不断缩短;随着电子能量的增大和触发极位置的前移,电子电流峰值有可能减小;并且,各参数的变化规律均呈现出饱和趋势。最后,讨论了阴极孔附近的离子耗尽和空心阴极阶段电流淬灭的可能联系,以及外回路电感值和PIC方法对伪火花放电仿真结果的影响。     

伪火花开关自放电电压特性与电压跌落过程实验研究

设计了典型参数下的伪火花放电开关,进行了空气介质下的电压特性实验,详细研究了气体压力,电极间隙距离,电极孔径和电极材料对伪火花开关耐受电压的影响;给出了伪火花开关放电电压与气压变化的关系曲线;测量了产生伪火花放电的气压范围和单间隙伪火花开关耐受电压的最大值,测得了伪火花放电与辉光放电的转折点气压,并对实验结果进行了理论分析。研究了伪火花开关电压跌落时间与放电电压的关系,首次将开关电压跌落过程分为暂态阶段和稳态阶段,讨论了放电电路参数,气体压力,开关结构和放电电压对电压跌落时间的影响。实验表明,在气压和开关结构不变的条件下,暂态过程时间由放电电压决定,电压越高,则所需时间就越短;稳态过程时间由放电电路参数决定,而与放电电压无关。最后讨论了真空洁净程度和开关加工与装配工艺对伪火花开关耐受电压的影响。     

伪火花放电的机理及其应用

伪火花放电(Pseudospark)是在低气压(10～100Pa)下的一种轴向对称的放电现象。它的潜在应用价值非常大,而且范围极广。例如:用它来做高压大功率、高速触发开关;用于产生高强度、高度收缩的电了束与离子束;作为脉冲X射线源等等。这里介绍这种放电的基本特点以及一些研究结果。     

同轴式三通道伪火花放电开关实验研究

设计了典型参数下的三通道伪火花放电开关及其陶瓷表面放电触发器,进行了空气介质下的放电实验,测得了伪火花放电的气压范围,给出了开关的耐受电压曲线,计算了开关的电流上升陡度,比较了相同尺寸下的单通道伪火花开关。试验结果表明,采用多通道结构后,开关的通流能力由单通道的40kA提高到120 kA,电路的电流上升陡度提高约20％,而电极烧损则大大降低。此开关具有良好的触发性能,在2～30 kV的放电电压下,放电电流的时延及其抖动分别为50～340 ns和15～40 ns,其最低可触发开关电压为600V.     

多通道伪火花放电开关及其半导体表面放电触发器研究

本文设计了典型参数下的同轴式三通道伪火花放电开关及其氧化锌表面放电触发器,进行了空气介质下的放电实验研究,测量了开关的放电曲线,给出了产生伪火花放电的气压范围,计算了开关的放电电流上升陡度,并与相同尺寸下的单通道伪火花开关进行了比较,试验结果表明,采用多通道结构后,开关的长期通流能力由单通道的40kA提高到120kA,电路的电流上升陡度也有很大提高(15%～20%),而电极烧损则大大降低。同时首次采用氧化锌半导体设计了开关的表面放电触发器。实验表明,对耐受电压37kV的伪火花开关,在气压不变的条件下,开关的可触发开关电压可低至440V;在30～2kV的放电电压下,放电电流的时延及其抖动分别为(100～500ns)和(20～50ns)。     

槽型空心阴极放电特性的模拟

为进一步揭示槽型空心阴极放电的放电机理,利用流体-亚稳态原子传输模型模拟研究了槽型空心阴极放电等离子体参数的时空分布特性。模拟得到了不同时刻槽型空心阴极放电中电势、电子密度、电场场强和电离速率等的分布特性。结果表明槽型空心阴极放电在不同时刻处于不同的放电模式,即初始放电阶段为Townsend放电模式,此阶段以轴向放电为主;第2阶段为放电由槽外向槽内发展阶段,此阶段电场场强由轴向向径向转换;第3阶段为形成空心阴极效应放电模式阶段,此阶段逐渐形成稳定的阴极鞘层结构;第4阶段为稳定放电阶段,放电参数不随时间发生变化。研究结果为进一步分析空心阴极放电的时间发展特性提供了参考。     

半导体碳化硅在伪火花放电高能开关中的应用

伪火花放电开关 (PSS)的寿命主要由大电流下的电极烧损决定 ,其机理为金属电极产生的蒸汽电弧改变了原有均匀辉光放电所致。半导体碳化硅 (Si C)可以维持伪火花开关电极表面的均匀辉光放电 ,抑制电弧产生 ,使电极烧损大大减小 ,还解决了开关在小电流下奇异放电问题 (电流猝灭和暂态阻抗降低 )。简述了金属钼电极与 Si C电极的放电过程和特点后简要分析了 Si C电极抑制电弧的原理 ,还介绍了伪火花开关奇异放电现象的研究进展     

封闭式双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支的低气压脉冲放电开关,具备耐受电压高、通流能力大、工作范围宽、寿命长、抖动低等优点,在脉冲功率装置中具有非常大的应用前景。为此研制了一款封闭式的双间隙伪火花开关,采用陶瓷–金属焊接密封方式,由改进型雪崩三极管纳秒脉冲电源和高介Ba TiO3陶瓷触发单元构成沿面放电式触发系统,触发稳定性极高。围绕伪火花开关的放电特性,主要研究了触发能量、阳极电压和工作气压对开关触发时延、抖动以及电压下降速率的影响规律。试验结果表明,触发系统极高的触发稳定性为伪火花开关触发时延抖动的降低提供了保障,最终可在间隙距离2.5mm的开关中将触发抖动降低至1ns以下;伪火花开关的电压下降速率受超密集辉光放电阶段发展过程的影响,而与空心阴极内部的过程无关,因此只受到阳极电压和工作气压的影响。此外,还分析了伪火花开关导通过程中电流过零点后发生淬灭的原因可能是开关阳极附近电子的产生速率低于消耗速率,使得反向放电通道的建立过程受阻,并采取了相应措施进行改善。