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《中国工程物理研究院》 2010年
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辉光放电触发赝火花开关特性研究

秦风  
【摘要】: 赝火花开关是一种重要的脉冲功率技术开关,研制高耐压、强通流、低抖动、高重频赝火花开关对脉冲功率技术的发展有着积极的意义。本论文以理论分析和粒子模拟为技术手段,结合实验,对辉光放电触发赝火花开关特性进行系统的研究。 1.辉光放电触发方式具有寿命长、稳定性好、辉光预放电电压低等优点。文中,设计了一种圆柱形空心阴极辉光放电腔,并对其进行了粒子模拟和实验验证。粒子模拟表明:辉光放电时,阴极位降占整个电位降的主要部分;阴极位降区中离子密度大于电子密度,且净电荷密度近似为一常数;阴极内部电场沿中轴线呈轴对称分布。实验验证表明:在赝火花开关工作气压范围内(约1-100Pa),辉光放电腔工作在Paschen曲线最低点左侧;当氦气气压p=99Pa时,辉光放电电流0.14mAi3.6mA,为正常辉光放电模式;当电流i3.6mA,为反常辉光放电模式。 2.结合PIC原理和Monte Carlo碰撞来模拟赝火花开关初始放电过程和工作参数对其导通时延的影响;开关阴极腔中的初始等离子体采用不均匀分布。赝火花开关初始放电过程主要由汤森放电阶段、虚阳极的形成与扩展、空心阴极效应和主放电的发生组成。其中,虚阳极的形成与扩展、空心阴极效应对赝火花开关的发展导通有着重要意义,其直接影响到赝火花开关能否发展导通。当电极孔径过小(如φ≤2mm),虚阳极难以进入空心阴极腔,空心阴极效应减弱,开关难以发展导通。在开关不发生自击穿的条件下,模拟了氦气气压、电极孔径和间距、初始等离子体密度对赝火花开关导通时延的影响。模拟表明:随氦气气压的升高、电极孔径和间距的增大、初始等离子体密度的增大,开关导通时延减小;与实验结果一致。 3.赝火花开关耐受电压与气压、电极间距关系密切。随着气压的升高,开关耐受电压迅速减小,与Paschen定律关于低气压下电击穿的描述一致:开关电极孔径为3mm、电极间距为4mm时的耐受电压约是电极间距和电极孔径均为3mm时的85%。对于电极孔径和间距均为3mm的赝火花开关,气压减小,其耐受电压有一上限值,此上限约为40kV,与Schoenhuber对无孔平板电极的研究结果相近。研究表明:电极材料(黄铜、不锈钢、钨铜合金)对开关耐受电压的影响较小,可略去不计。此外,本文中对比研究了电极外径φ=46mm和φ=8.8mm两种不同尺寸的赝火花开关耐压特性;研究表明:在相同气压下,小尺寸赝火花开关耐受电压高于大尺寸赝火花开关。 4.时延、抖动是对赝火花开关工作稳定性的描述,设计、研制短时延、低抖动赝火花开关对脉冲功率技术的发展有着重要意义。本文中,系统研究了辉光放电触发赝火花开关各工作参数对其时延、抖动的影响。研究表明,随着辉光放电电流的增大、气压的升高和触发电压的增大,开关时延、抖动减小并出现饱和。与高压气体火花开关不同;当气压p=12Pa,辉光放电电流i=0.7mA,触发电压Vt=5.8kV;阳极电压在8-25kV范围内变化时,开关时延基本不变。 5.赝火花开关工作电压范围宽:当辉光放电电流i≈0.6mA,气压p=10Pa,触发电压达到一定值,对自击穿电压为35kV的开关;阳极电压从35kV直至400V,该开关都能可靠触发。此外,还研究了电极材料对开关寿命的影响;黄铜电极、不锈钢电极和钨铜合金电极的实验表明:钨铜合金电极寿命最长,其次是不锈钢电极,黄铜电极寿命最短。 6.空气介质中的赝火花开关辉光放电特性研究表明:放电时,柔和的辉光充满整个电极间隙,从阴极到阳极,辉光的颜色依次是粉色、蓝色;与空气中辉光放电理论关于各放电区的颜色描述一致。 7.双级赝火花开关中间电极不宜采用悬浮电位,此结构具有以下弊端:高气压下,开关耐压差;低气压下,两耐压间隙不能充分利用,且难以触发。而采用对直流和脉冲信号响应俱佳的RC均压电路来构成双级结构,既能保证两耐压间隙充分利用,又能使开关易于触发。分析了触发波形后沿畸变和高频毛疵出现的原因;并理论上计算了高频毛疵的周期,与实验测得值一致。针对触发波形上出现的正反峰,分析了其产生的原因并提出了抑制反峰的开关结构改进。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM564

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