纳秒脉冲下高能量快电子逃逸过程的计算

基于快电子的逃逸击穿机理将是一种能解释纳秒脉冲高过电压倍数下气体放电现象的理论，对高能量快电子的逃逸运动、碰撞电离引导电子崩的发展等进行了分析，并根据电子能量与阻力关系式，对电子的俘获或逃逸过程进行了计算.结果表明外加场强越高，更多的电子能逃逸，逃逸的能量阈值越低，气压对电子的逃逸过程影响也较大.同时也定性描述了纳秒脉冲下逃逸击穿放电过程. 关键词： 气体放电 快电子 逃逸击穿 纳秒脉冲     

大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理

经典放电理论(Townsend和流注理论)解释纳秒脉冲气体放电存在局限性,近年来基于高能电子逃逸的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注.但是目前对大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理研究仍较少,严重阻碍了纳秒脉冲放电等离子体的应用发展.本文利用一维粒子模型,对幅值为20 kV的纳秒脉冲电压驱动下,间隙长为1 mm的板-板电极之间的大气压空气放电中逃逸电子的产生机理进行了数值模拟研究..结果表明,在空间电荷动力学行为的影响下,板-板电极之间出现了增强电场区域,使得电子可以满足电子逃逸判据而进入逃逸模式.此外,还观察到放电通道前逃逸电子的预电离效应导致了二次电子崩的产生,随着二次电子崩与放电通道不断汇聚,引导并加速了放电通道的发展,最终导致气隙击穿.本研究进一步揭示了纳秒脉冲板-板放电机理,拓展了纳秒脉冲气体放电基础理论,为纳秒脉冲放电等离子体的应用和发展开辟了新的机会.     

纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流的研究

经典的放电理论(Townsend和流注理论)不能很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来基于高能量电子逃逸击穿的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注,有研究发现,高能逃逸电子是纳秒脉冲气体放电中的新特征参数,本文研制了用于测量纳秒脉冲放电中逃逸电子束流的收集器,并对脉宽3—5ns、上升沿1.2—1.6 n8激励的大气压纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流进行了测量,收集器采用类似法拉第杯的原理,利用金属极收集纳秒脉冲放电中的高能电子,并转换为电信号后由示波器采集,为了获得更好的逃逸电子束流波形,对逃逸电子束流收集器进行了优化设计,提高了收集器的阻抗匹配特性,基于上述的逃逸电子束流收集器,研究了纳秒脉冲气体放电中逃逸电子的特征,实验结果表明,所设计的收集器可以有效地测量到逃逸电子束流,改进设计后收集器测得的逃逸电子柬流的时间分辨率和幅值均得到提高,施加电压约80 kV时,大气压空气中的逃逸电子束流幅值可达160 mA,脉宽小于1ns,多个脉冲激励放电的结果表明逃逸电子束流收集器具有较好的可靠性,其瞬态响应与时间分辨率比较稳定。     

纳秒脉冲下变压器油两相流注放电仿真研究

为揭示液体电介质击穿过程中形成的气体放电通道对液体电介质放电过程的影响,以针—板电极间隙变压器油为研究对象,基于等离子体流体力学模型,引入了液体电介质放电过程中气相放电通道对电离机制及自由电荷迁移率的影响,建立了用于模拟脉冲电压下液体电介质放电过程的两相流体模型,仿真研究了纳秒脉冲下针板电极流注放电的起始与发展过程。仿真结果表明:采用Heaviside方程可以在模型的不同区域同时实现气相物理过程和液相物理过程的模拟与计算。气相物理过程的引入导致流注尾部电场显著降低,流注头部电场进一步增强,使流注通道的发展速度要高于传统液相模型,有助于加深对纳秒脉冲下液体电介质中预击穿流注的起始、发展过程的认识和理解。     

液体介质微/纳秒脉冲放电的特性与机理:现状及进展

液相放电是高电压与绝缘技术领域持续的研究热点,深入理解微/纳秒脉冲放电的特性与机理有利于促进液相放电在电气装备设计优化、深远海勘探、先进材料制备等前沿领域的创新与突破。总结梳理了近年来液体介质微/纳秒脉冲流注放电特性与机理研究的进展,从放电模式与转化、分叉行为、击穿过程等方面阐释了流注放电的基础特性,归纳了液体电导率、压强、溶解气体、杂质与添加剂等物性参数对流注放电特性的影响规律,分析了液体介质流注放电起始与发展机制（包括气泡理论、液相直接碰撞电离、场致分子电离、电致伸缩效应等）及其适用范围。在此基础上,展望了液相放电领域的发展方向和面临的挑战,为相关领域的基础研究和工程应用提供参考。     

大气压管板结构纳秒脉冲放电中时域X射线研究

纳秒脉冲放电能在大气压下产生高电子能量、高功率密度的低温等离子体,由于经典放电理论无法很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来以高能逃逸电子为基础的纳秒脉冲气体放电理论受到广泛关注.纳秒脉冲放电会产生高能逃逸电子,伴随产生X射线,研究X射线的特性可以间接反映高能逃逸电子的特性.本文利用纳秒脉冲电源在大气压下激励空气放电,通过金刚石光导探测器测量放电产生的X射线,研究不同电极间隙、阳极厚度下和空间不同位置测量的X射线特性.实验结果表明,在大气压下纳秒脉冲放电能产生上升沿约1 ns,脉宽约2 ns的X射线脉冲,其产生时间与纳秒脉冲电压峰值对应,经计算探测到的X射线能量约为2.3×10-3J.当增大电极间隙时,探测到的X射线能量减弱,因为增大电极间隙会减小电场强度和逃逸电子数,从而减少阳极的轫致辐射.电极间距大于50 mm后加速减弱,同时放电模式从弥散过渡到电晕.随着阳极厚度增加,阳极后方和放电腔侧面观察窗测得的X射线能量均有所减弱,在阳极后面探测的X射线能量减弱趋势更加明显,这说明X射线主要产生在阳极内表面,因此增加阳极厚度会使穿透阳极薄膜的X射线能量减少.     

正极性纳秒脉冲电压下变压器油中流注放电仿真研究

建立了二维轴对称流体模型, 仿真研究了正极性纳秒脉冲电压下变压器油中针-板电极流注放电的起始与发展过程, 得到了不同的外施电压幅值、脉冲上升沿时间与电极间隙距离下油中流注放电的形貌、 电场强度与空间电荷密度分布等. 仿真结果表明: 空间电荷加强了流注头部前方电场, 使流注通道更易于向前推进, 形成"电离波"; 随着外施电压幅值升高, 流注发展的平均速度显著变大; 较陡的脉冲上升沿形成的放电半径较大, 对应的最大电场强度值变小; 随着电极间隙距离的增加, 流注发展平均速度变快. 仿真显示纳秒脉冲下放电中油温无明显升高, 表明此类放电过程没有明显的油气化现象. 我们认为, 场致电离是油中带电粒子产生的主导机制; 空间电荷效应增强流注前方电场使得电离进一步发展, 最终导致击穿. 本研究有助于加深对变压器油中放电起始、发展直至击穿过程的认识以及对液体电介质中电离机制的理解. 关键词： 变压器油 流体模型 流注放电 空间电荷效应     

重复频率脉冲流注放电演变现象与机制研究进展

重复频率脉冲流注放电是低温等离子体前沿应用的关键使能因子,然而,高重复频率脉冲作用下流注放电呈现复杂的不稳定和记忆效应现象,放电基础演变机理和调控方法尚不完善,极大影响应用的安全性和放电特性调控的有效性。综述了重复频率脉冲流注放电演变现象与机制的研究进展。首先归纳了重复频率脉冲流注放电的强非线性和渐进式演变特征,然后分析不同类型放电记忆效应因子对后续流注起始和传播的作用机制,最后总结了脉冲波形参数对重复频率脉冲流注放电的影响规律。凝练了重复频率脉冲流注放电演变机制研究的若干挑战,对脉冲放电等离子体机理研究具有一定的借鉴作用。     

脉冲电磁驱动低温螺旋流注放电机理

特定脉冲放电参数条件下,原来沿直线传播的低温等离子体射流放电通道会在脉冲电磁驱动下发生放电模式转换,形成螺旋形态的流注通道.与传统的螺旋波放电不同,实验中并没有外加恒定磁场等破坏介质管极向对称性的因素,而且螺旋的手性方向会随放电参数变化.为深入了解等离子体射流中螺旋结构的电磁作用机理,探索其导致螺旋形态和决定手征性的极向电场来源及影响因素,本文通过建立完备自洽的等离子体理论模型,对螺旋流注的手性方向、螺距变化、分叉等复杂放电特性和电磁机理进行分析.研究发现击穿时极向电场波模的初始相位对螺旋流注的手性选择存在影响,电子密度对螺旋流注的螺距参数存在影响,放电的脉冲重复频率对螺旋流注分叉的分叉点位置存在影响.以上放电特性及其影响因素对探明电磁波与等离子体的相互作用机制具有重要科学意义,同时也为低温等离子体的手性应用提供实验和理论支撑.     

百kV/cm场强下SF6气体开关纳秒脉冲击穿场强和时延经验公式

百kV/cm高场强纳秒脉冲条件下,采用J. C. Martin经验公式估算SF₆气体击穿场强时,估算值与实验结果差异显著。为了进一步指导高场强脉冲气体开关设计,为开关工作状态调节提供依据,借鉴经典击穿场强经验公式形式建立了百kV/cm场强下SF₆气体开关纳秒脉冲击穿场强和时延与实验参数之间的关系,基于实验数据拟合形成了修正系数的击穿场强和时延经验公式。研究表明,百kV/cm场强和纳秒脉冲条件下脉冲电压斜率对开关击穿特性有重要影响,击穿场强与击穿时延相互关联。百ns至μs脉冲与几十ns脉冲气体放电机理的区别引起放电过程中击穿时延组成发生变化,导致了经典击穿场强经验公式估算值与实验结果的显著差异。修正系数的击穿经验公式可为电磁脉冲模拟器输出开关提供更为精确的工程设计依据。     

脉冲放电脱硫反应器中高能电子密度分布的光谱研究

脉冲流光放电产生的大于等于11.2 eV的高能电子能将处于基态的氮分子激发到N₂(C3Π_u)态,测试脉冲流光放电时的N₂(C3Π_u→B3Πg)发射光谱相对强度可以得出脉冲流光放电产生的高能电子的密度。实验在室温常压下研究了空气中线-板式脉冲流光放电脱硫反应器内高能电子密度分布情况,并研究了脉冲电压、反应器的线线间距对反应器内高能电子密度分布的影响。实验结果表明,反应器内的高能电子主要集中在放电线附近高电场区内,随着离放电线的距离增大,高能电子密度减小;脉冲电压对高能电子密度有很大影响,随着电压的升高,高能电子密度基本呈线性增大;线板间距固定,线线间距为线板间距的0.6～1倍时,反应器内高能电子密度分布较为均匀。     

微机电系统微尺度间隙的脉冲击穿特性

利用微机电系统(MEMS)工艺制备了5~40 m间隙的金属铝薄膜电极,测取了不同间隙下施加纳秒方波脉冲时的击穿电压,得到击穿电压和平均场强随电极间隙的变化规律,研究了脉宽、极性对击穿电压的影响,结合击穿后微电极扫描电镜观察结果讨论了其击穿机理,并与相同试样在直流下的结果进行了对比。研究表明:击穿电压随微间隙距离的增大而增大,击穿场强则随着间隙的增大迅速减小;与直流同间隙的击穿电压相比,脉冲作用下的击穿电压并不像宏观尺度下那样高出很多;试样击穿机理应为流注理论。在脉冲作用下,阳极出现了分层熔化现象,由于作用时间很短,阳极表面并未出现类似于直流击穿时留下的坑洞;阴极则出现了溅射沉积现象,只是沉积物质相对较少。     

纳秒脉冲电晕放电成像技术

阐述了脉冲电晕放电成像的物理过程,根据气体放电的流光理论,采用纳秒脉冲放电技术,获得了清晰的电晕放电的硬币成像图像,并展望其应用前景。     

针-板空气间隙流注放电起始过程的三维PIC/MCC仿真研究

流注放电作为自然界中闪电传播的预电离机制、高压输变线路间长空间间隙放电的重要初始阶段,在工业领域存在诸多潜在应用,近年来引起人们越来越多的关注.流注放电具有典型的多尺度、非线性的放电特征,实验观测中多呈现出分叉等不规则结构.为了研究其微观结构特性和行为特征,本文采用三维粒子仿真模型(PIC/MCC),着重研究了流注从针型正电极的起始和发展过程.模型采用了可变自适应网格、可变粒子权重以及并行计算等技术,有效地降低了三维粒子仿真的计算时间.通过调节针型电极上的施加电压幅值、改变气体组分及调整电极形状尺寸等,研究了放电参数变化对流注放电的分叉结构、半径等行为的影响.模拟结果表明:随着电压的升高,流注的半径及分叉数目增加;对比不同气体组分(纯氧以及不同比例氮氧混合气体),发现其对流注的分叉数目影响较为显著;针型电极结构直接影响了流注的起始时间和形貌.     

Untersuchungen über die Entwicklung des Kanaldurchschlags in Gasen

The temporal development of the current of a discharge leading to breakdown was investigated under static and homogeneous field conditions with wide band oscilloscopic techniques. The discharges were started by 10³ to 10⁵ electrons released within some 10^?9 sec along traces of single α-particles parallel to the electric field. Measurements have shown that streamer mechanism occurs in gases as CH₄ and CO₂ at static breakdown, if a sufficient density of space charge is produced by a great number of overlapping avalanches. The gas amplification of thesingle avalanche only has a value of about 10⁵. Also in O₂ and dry air at highpd-values breakdown develops with streamer mechanism. — In electronegative gases as freon 12 and O₂ a prolongation of the time necessary for streamer formation is caused by the reduction of the effective total space charge by the negative ions. The results of a detailed study of the time necessary for streamer development and the time constant of the increase of the current leading to breakdown confirm the model of streamer mechanism.     

Runaway of electrons in dense gases and mechanism of generation of high-power subnanosecond beams

New understanding of mechanism of the runaway electrons beam generation in gases is presented. It is shown that the Townsend mechanism of the avalanche electron multiplication is valid even for the strong electric fields when the electron ionization friction on gas may be neglected. A non-local criterion for a runaway electron generation is proposed. This criterion results in the universal two-valued dependence of critical voltage U _cr on pd for a certain gas (p is a pressure, d is an interelectrode distance). This dependence subdivides a plane (U _cr , pd) onto the area of the efficient electron multiplication and the area where the electrons leave the gas gap without multiplication. On the basis of this dependence analogs of Paschen’s curves are constructed, which contain an additional new upper branch. This brunch demarcates the area of discharge and the area of e-beam. The mechanism of the formation of the recently created atomospheric pressure subnanosecond e-beams is discussed. It is shown that the beam of the runaway electrons is formed at an instant when the plasma of the discharge gap approaches to the runaway electrons is formed at an instant when the plasma of the discharge gap approaches to the anode. In this case a basic pulse of the electron beam is formed according to the non-local criterion of the runaway electrons generation. The role of the discharge gap preionization by the fast electrons, emitted from the plasma non-uniformities on the cathode, as well as a propagation of an electron multiplication wave from cathode to anode in a dense gas are considered.