“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

脉冲加载下锥角绝缘子的激光辐照沿面闪络性能北大核心CSCD

通过搭建脉冲加载下的激光辐照沿面闪络实验平台,考察了锥角绝缘子受激光辐照时的真空沿面闪络性能。结果表明:不论是紫外光(266nm)还是可见光(532nm)辐照在阴极三相点或者样品中间,+45°锥角绝缘子构型的性能都要优于-45°锥角绝缘子,并且紫外辐照阴极三相点对沿面闪络电压的影响较大,因此在大型脉冲功率装置中应该避免射线对绝缘堆阴极三相点处的辐照。     

介质壁加速器高梯度绝缘子研制

与普通绝缘子相比,高梯度绝缘子(HGI)的金属层与绝缘介质层交替排列结构可以抑制真空沿面闪络过程,从而提高沿面闪络场强。使用不同绝缘介质材料和金属材料采用不同加工制备工艺制备的HGI样品其沿面闪络场强差别较大。对所制备的绝缘介质层分别为聚酰亚胺、交联聚苯乙烯和尼龙,金属层为不锈钢箔,形状分别为圆柱与圆环型的HGI样品进行了真空沿面耐压测试,并对相同尺寸的纯绝缘介质样品进行了对照实验,得到了不同材料不同制备工艺HGI样品的耐压性能差异。结合样品表面显微照片观察得到的样品表面状况,分析了影响样品沿面闪络场强的因素。     

一种重复脉冲同轴馈电型陶瓷真空界面

真空界面是脉冲功率装置的薄弱环节,对于重频运行的系统,该问题更为突出。介绍了一种应用于重频脉冲驱动源的陶瓷绝缘子真空界面。首先依据真空沿面闪络设计原则给出了一种改进型同轴馈电陶瓷真空界面绝缘结构,该结构采用陶瓷-金属钎焊连接形式;通过采取均压、屏蔽措施,静电场模拟结果显示,陶瓷沿面电场分布均匀,总场强小于100 kV/cm,沿面分量小于70 kV/cm,阴、阳极三结合点场强均小于40 kV/cm;在输出幅值600 kV、脉宽80 ns、重复频率1~5 Hz可调的脉冲功率驱动源上进行了实验测试,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,运行稳定;采取(0-1)分布对实验结果进行了统计分析,置信度取为0.9时,陶瓷真空界面的可靠度大于97%。最后,还探讨了表面处理工艺对闪络电压的影响,实验发现,增加表面粗糙度可有效提高陶瓷绝缘子的闪络电压。     

圆形平板电极与薄膜层叠结构的沿面闪络性能

强电磁脉冲模拟装置中用于脉冲压缩的陡化电容器常采用电极与薄膜介质层叠的结构，其主要绝缘失效模式为沿面闪络。采用圆形平板电极，在SF₆绝缘环境中和加载电压为前沿约30 ns的纳秒脉冲电压的条件下，实验研究了陡化电容器关键结构参数和气压对沿面闪络性能的影响。结果表明:（1）电极厚度、气隙和表面涂覆均不能明显改变层叠结构的沿面闪络电压；（2）气压可以提高层叠结构的沿面闪络性能，但是存在饱和趋势；（3）薄膜介质层数与沿面闪络电压近似线性比例关系；（4）增长薄膜介质伸出长度能显著提高沿面闪络电压。基于流注理论对上述结果进行了探讨，认为极不均匀场中，闪络起始主要由高场强区域决定，但是闪络通道的形成和发展主要由闪络路径上的背景电场决定，因此减小层叠结构三结合点处电场对闪络性能影响不大，但减小闪络通道发展路径上的背景电场，可以有效提高层叠结构的沿面闪络电压。     

神龙二号加速器绝缘环真空沿面闪络

在对神龙二号加速器绝缘环进行耐压考核时发现,感应腔中的绝缘支撑部件交联聚苯乙烯绝缘环在猝发多脉冲高压加载下出现的真空沿面闪络现象存在两种类型:阴极始发的闪络击穿和阳极始发的闪络击穿。通过计算绝缘环的沿面电场分布、对比击穿电压波形与绝缘环表面闪络放电烧蚀痕迹,结合小绝缘子样品实验结果对以上沿面击穿现象的机理进行了分析,认为可能是绝缘环端面与电极面的配合问题引起了加速段与注入器绝缘环击穿现象的差异。     

神龙二号加速器绝缘环真空沿面闪络北大核心CSCD

在对神龙二号加速器绝缘环进行耐压考核时发现,感应腔中的绝缘支撑部件交联聚苯乙烯绝缘环在猝发多脉冲高压加载下出现的真空沿面闪络现象存在两种类型:阴极始发的闪络击穿和阳极始发的闪络击穿。通过计算绝缘环的沿面电场分布、对比击穿电压波形与绝缘环表面闪络放电烧蚀痕迹,结合小绝缘子样品实验结果对以上沿面击穿现象的机理进行了分析,认为可能是绝缘环端面与电极面的配合问题引起了加速段与注入器绝缘环击穿现象的差异。     

无箔二极管径向绝缘的数值模拟研究

 介绍绝缘子表面闪络的物理机制，对四种径向绝缘结构模型，用PIC数值模拟方法计算绝缘子表面的电场分布，比较它们三结合点以及沿绝缘子表面的合成电场大小，加导引磁场，考虑电子束发射、模拟电子回流对绝缘子表面闪络的影响，由此提出优化结构，对实际工程设计绝缘子有重要意义。     

微秒长脉冲有磁场高功率微波二极管真空界面设计

介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络:一是阴极电子束挡板,用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束;二是接地屏蔽板,使电场等势线和界面成约45°角,使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板;三是降低阴极三结合点处的场强,并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构,实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作,可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。     

纳秒脉冲下高气压SF6中同轴绝缘子沿面闪络影响因素实验研究

研究纳秒脉冲下的绝缘子沿面闪络影响因素对电磁脉冲模拟装置绝缘结构设计具有重要的借鉴意义。通过搭建绝缘子沿面闪络实验平台,实验研究了在0.5 MPa的SF6气体中,脉冲电压波形、绝缘材料和绝缘子沿面场强分布对绝缘子沿面闪络电压的影响。结果表明：绝缘子的闪络电压具有随着脉冲前沿时间减小而增加的趋势;相较于脉冲电压全波,绝缘子在脉冲电压前沿波形耐受下闪络电压较高;聚酰亚胺材料的绝缘性能最好;通过降低绝缘子沿面最大场强,改善电场分布可以有效地提高绝缘子的闪络电压。     

直流高压加速管轴向绝缘的优化设计

 为了降低500 mA直流高压加速管高梯度区的电位梯度，对加速管轴向绝缘结构进行优化设计。首先分析了沿面闪络的机理和该加速管轴向绝缘体结构。根据SEEA理论并通过数值模拟，发现阴极、真空和绝缘体三结合点处电场畸变是产生高场强的原因，并分别对4种绝缘体结构进行模拟分析，最终确定出比较理想的结构：绝缘体沿面与阴极电极夹角为+45°，绝缘体两端开槽并均匀嵌入金属电极环，绝缘体均匀嵌入阳极电极片内。     

Analysis of the electric field behavior in the vicinity of a triple junction,using finite elements method computational simulations

The authors studied the electric field behavior in the vicinity of a triple junction, composed by metal, vacuum and dielectric parts, using computational simulations. A bi-dimensional model was constructed using ANSYS MAXWELL to analyze the magnitude of the electric field as a function of the contact angles of the materials. The results showed that a field enhancement or reduction could occur in vacuum for certain contact angles. The influence of the dielectric permittivity was also investigated, and the conclusions showed that the maximum electric field enhancement is proportional to the dielectric permittivity.     

The surface mode supported by an asymmetrical waveguide containing left-handed materials

The propagating characteristics of surface mode supported by an asymmetrical three-layer waveguide containing left-hand materials are studied in detail. The forward and the backward surface modes have been identified respectively through the slope of dispersion curve and the total energy flux of the structure. Research shows that anti-symmetry mode corresponds to forward surface wave. Furthermore, to symmetry mode, the type of surface mode depends on the distribution of the electric field in the left-handed layer. It is found that, the conversion between backward surface wave and forward surface wave is realizable by varying the thickness of the left-handed layer and the permittivity of the substrate.     

大尺度分层介质粗糙面电磁散射的特性研究

首先建立大尺度分层介质粗糙面散射的物理模型, 基于Stratton-Chu积分方程和Kirchhoff近似导出了粗糙面散射场的计算公式. 采用高斯随机粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面, 通过数值计算得到了正下视单站雷达接收到的后向散射回波. 理论推导了散射场强度与表面粗糙度之间的定量关系, 并从数值仿真的角度分析了表面和次表面的粗糙度对散射回波的影响, 给出了散射场随粗糙度变化的曲线. 最后考察了分层介质的电特性参数(介电常数和电导率)对分层粗糙面散射场的影响, 并对计算结果做出了分析.     

具有N型缓冲层REBULF Super Junction LDMOS

针对功率集成电路对低损耗LDMOS (lateral double-diffused MOSFET)类器件的要求,在N型缓冲层super junction LDMOS (buffered SJ-LDMOS)结构基础上, 提出了一种具有N型缓冲层的REBULF (reduced BULk field) super junction LDMOS结构. 这种结构不但消除了N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底带来的衬底辅助耗尽效应问题, 使super junction的N区和P区电荷完全补偿, 而且同时利用REBULF的部分N型缓冲层电场调制效应, 在表面电场分布中引入新的电场峰而使横向表面电场分布均匀, 提高了器件的击穿电压. 通过优化部分N型埋层的位置和参数, 利用仿真软件ISE分析表明, 新型REBULF SJ-LDMOS 的击穿电压较一般LDMOS提高了49%左右, 较文献提出的buffered SJ-LDMOS结构提高了30%左右. 关键词： lateral double-diffused MOSFET super junction 击穿电压 表面电场     

真空绝缘堆均压环的结构优化

采用数值模拟法和有限元网格细化法对比给出电场的合理参考范围,分别选取距离阴极三结合点(0.005)(21/2d)处(d是绝缘体的厚度)和距离阳极三结合点(0.008 5)(21/2d)处的电场强度为参考点。通过优化均压环形状,采用阴极激发闪络和阳极激发闪络两种模型来控制三结合点处的场强,优化得出阴极三结合点处场强值为2.55 kV/mm,阳极三结合点处场强值为23 kV/mm。     

Electric field and force on a conducting sphere in contact with a dielectric solid

This paper presents the analysis of electric field and force on a conducting sphere lying on a dielectric solid under a uniform field. To achieve high accuracy, we have applied the analytical method of successively placing three infinite sequences of point and dipole charges (zero- or first-order multipoles). The electric field is highest at the contact point, called the triple junction, where the conductor, the dielectric solid, and the surrounding medium (gas or vacuum) meet together. Both the contact-point field and the force increase with the permittivity ratio of the solid to that of the surrounding medium. The resulting force always attracts the sphere to the solid, in contrast to the repulsive force in the case of a conducting sphere lying on a plane conductor under an external field. We have given very simple formulae for approximating the contact-point field and the force which agree with the precise values within a difference of 3% for permittivity ratios up to 32 and 64, respectively.     

栅漏间表面外延层对4H-SiC功率MESFET击穿 特性的改善机理与结构优化

本文提出了一种带栅漏间表面p型外延层的新型MESFET结构并整合了能精确描述4H-SiC MESFET工作机理的数值模型,模型综合考虑了高场载流子饱和、雪崩碰撞离化以及电场调制等效应. 利用所建模型分析了表面外延层对器件沟道表面电场分布的改善作用,并采用突变结近似法对p型外延层参数与器件输出电流(I_ds)和击穿电压(V_B)的关系进行了研究.结果表明,通过在常规MESFET漏端处引入新的电场峰来降低栅极边缘的强电场峰并在栅漏之间的沟道表面引入p-n结内建电场进一步降低电场峰值,改善了表面电场沿电流方向的分布.通过与常规结构以及场板结构SiC MESFET的特性对比表明,本文提出的结构可以明显改善SiC MESFET的功率特性.此外,针对文中给定的器件结构,获得了优化的设计方案,选择p型外延层厚度为0.12 μupm,掺杂浓度为5× 10¹⁵ cm^-3,可使器件的V_B提高33%而保持I_ds基本不变.     

Design of a sector bowtie nano-rectenna for optical power and infrared detection

We designed a sector bowtie nanoantenna integrated with a rectifier (Au−TiO_x−Ti diode) for collecting infrared energy. The optical performance of the metallic bowtie nanoantenna was numerically investigated at infrared frequencies (5−30 μm) using three-dimensional frequency-domain electromagnetic field calculation software based on the finite element method. The simulation results indicate that the resonance wavelength and local field enhancement are greatly affected by the shape and size of the bowtie nanoantenna, as well as the relative permittivity and conductivity of the dielectric layer. The output current of the rectified nano-rectenna is substantially at nanoampere magnitude with an electric field intensity of 1 V/m. Moreover, the power conversion efficiency for devices with three different substrates illustrates that a substrate with a larger refractive index yields a higher efficiency and longer infrared response wavelength. Consequently, the optimized structure can provide theoretical support for the design of novel optical rectennas and fabrication of optoelectronic devices.