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重复频率纳秒脉冲气体击穿研究

邵涛  
【摘要】:纳秒脉冲、高场强等极端条件下电介质击穿特性的研究越来越受到关注,纳秒脉冲气体放电研究源于脉冲功率技术迅速发展的需求,目前国内外研究较少涉及。高压纳秒重复频率脉冲气体击穿特性研究工作推动气体放电研究领域的完善和发展,具有重要的理论和实际意义。 基于一套使用半导体断路开关,输出最高幅值到-200kV,脉冲上升沿10ns,半高宽20-30ns,最高重复频率到2kHz的脉冲发生器,设计并建立了实验腔系统及相应的测量平台。确定施加电压、放电电流、场强、击穿时延、重频耐受时间及脉冲击穿个数等测量参数。以干燥空气及氮气为研究对象,在0.5-2cm的板—板间隙和0.5-3cm的尖一板间隙,60、80、100、120kV的施加电压,单次到最高1kHz的重复脉冲等条件下,对气体击穿特性的进行了较全面实验研究。实验结果表明在板—板电极结构的电场中,重复频率条件下的击穿场强比单次脉冲明显降低,高重复频率时击穿场强趋向于直流的击穿场强;重复频率纳秒脉冲下尖一板电极结构的极性效应明显弱化;得到气体密度、时延及击穿场强的变化规律,提出修正经验公式。 Townsend机理和经典流注机理在解释纳秒脉冲击穿均存在一定的缺陷,基于高能快电子的逃逸发展将是一种能解释纳秒脉冲击穿现象的机理。在分析快电子的产生、逃逸发展、碰撞电离等过程的基础上,对快电子的俘获、逃逸过程进行了仿真计算。记忆效应从有效初始电子的产生到对流注的影响均进行了定性的分析。研究表明外加场强越高,逃逸的能量阈值越低,气压与场强都显著影响快电子的逃逸发展过程;记忆效应导致负离子的脱附及与亚稳态粒子的碰撞过程为击穿提供大量的初始电子,重复频率纳秒条件下击穿场强更低。根据快电子的逃逸发展理论和记忆效应,建立了基于逃逸击穿和记忆效应的重复频率纳秒脉冲气体放电模型。


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