外加磁场下真空沿面闪络特性数值模拟

以单粒子模型和带电粒子运动方程为基础,采用蒙特卡罗方法,编写了真空沿面闪络过程计算程序,研究了外加磁场对真空沿面闪络过程的影响,主要是对二次电子发射及电子束的雪崩运动的影响。研究表明:外加磁场的存在,改变了绝缘体表面电子的运动,进而影响到绝缘体表面电荷的分布,从而在宏观上对绝缘体的耐受电压产生影响;外磁场抑制真空沿面闪络的效果与磁场的空间分布有关,磁场加在阴极附近时产生的效果优于加在阳极附近。     

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。     

软X射线辐照对绝缘材料沿面闪络性能的影响

绝缘体真空沿面闪络成为制约脉冲功率技术高电压、大电流和小型化发展应用的主要因素之一。在PTS装置的真空环境中,绝缘材料在受到软X射线辐照的情况下,其绝缘性能受到很大影响。因此为了提高PTS中交联聚苯乙烯的绝缘性能,同时更深刻地认识沿面闪络的机理,通过研究软X射线对于交联聚苯乙烯的辐照作用,观测到了不同辐照次数对于沿面闪络性能的影响。实验表明:未受到辐照的样品其真空沿面闪络性能高于软X射线辐照过的样品,而受14次钨丝阵辐照的样品其真空沿面闪络性能略高于受2次铝丝阵辐照的样品。同时,从软X射线对于绝缘体表面的辐照机理很好地解释了这种实验现象。     

长脉冲二极管绝缘子真空表面闪络

 在长脉冲强流无箔二极管实验过程中观察到绝缘子沿面闪络现象。分析实验现象认为是屏蔽环与绝缘子距离过近造成了屏蔽环边缘高场强,从而产生场致发射电子。电子在强电磁场作用下撞击绝缘子表面引起了二次电子雪崩从而导致真空表面闪络。运用静电场模拟和粒子束模拟,改进屏蔽环结构。改进后的二极管工作电压500 kV,电流12 kA,在1 T引导磁场下稳定运行,没有再发生真空表面闪络。     

真空表面的绝缘特性

绝缘子的真空表面绝缘特性研究真空下的高压沿绝缘子表面击穿物理过程，称真空表面闪络过程。影响该过程的因素主要包括绝缘材料结构、空间电场分布、表面处理方法、所加电压特征，脉冲宽度等。研究了真空表面闪络过程，有两类理论：二次电子发射崩溃和电子引发极化松弛。SEEA理论以绝缘子表面在电子轰击下发射二次电子为基础，包含了电子诱发脱附和脱附气体离子化，并且对闪络过程产生的影响等过程，对表面闪络现象进行了解释。     

固体绝缘子的真空沿面闪络研究

针对在高压设备中因沿面闪络现象而发生绝缘失效的问题,对沿面闪络现象中的基础特性测量手段、影响因素及其发生机制等关键问题进行了归纳总结,介绍了目前关于沿面闪络观测手段及其影响因素研究的主要进展,并对沿面闪络过程的具体机制以及表面电荷在沿面闪络过程中扮演的作用进行讨论。其中,外在因素、电极-介质界面层因素以及真空-介质表面层因素等三大类因素在影响沿面闪络的同时也对表面电荷积聚消散造成影响,其具体机制各不相同。在沿面闪络的主流机制中,SEEA理论较完整地阐述了沿面闪络的起始过程,ETPR理论则对沿面闪络的发展过程有着更好的解释。此外,表面电荷为沿面闪络发生提供了必要电荷,其积累与消散行为对沿面闪络发展起着决定性作用。开发能够实现低二次电子发射系数与高表面电导的绝缘材料及表面改性技术将是该领域未来重点研究方向。     

高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明:真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子（eV量级）数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为s量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子（keV量级）碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。     

高梯度绝缘子的实验研究与性能分析

为解决脉冲功率系统中绝缘部件的真空沿面闪络问题,开发了基于二次电子崩理论的层叠式高梯度绝缘材料。利用全金属超高真空分析系统,对高梯度绝缘子的真空出气特性进行检测;利用四极质谱仪,对高梯度绝缘子真空出气的气体成分进行分析。利用阻抗分析仪测试不同结构绝缘材料的高频介电性能。基于纳秒脉冲真空实验平台,对高梯度绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。研究结果表明:高梯度绝缘子具有良好的高频介电性能,其拐点频率高达200 MHz;锻炼后高梯度绝缘子的闪络场强可达190 kV/cm,其闪络性能和高梯度绝缘结构中绝缘层的材料及绝缘层与金属层的比例直接相关。     

真空中聚苯乙烯交联材料的沿面闪络特性

搭建了真空沿面闪络实验平台,在实验平台上对聚苯乙烯交联材料进行了真空沿面闪络性能测试,探讨了材料的真空沿面闪络电压强度与材料结构、材料内部微量杂质的关系。实验结果表明:随着聚苯乙烯材料交联程度的增加,其真空沿面闪络电压强度先增加后减少;聚苯乙烯交联材料分子链结构对其真空沿面闪络电压强度有重要影响;材料的真空沿面闪络电压强度还与交联材料内部异质分子数量有关系,微量异质结构的分子将导致沿面闪络电压强度的下降。     

真空中电子辐照下聚四氟乙烯沿面闪络电压特性

为了研究聚四氟乙烯材料(PTFE)在空间粒子环境中放电规律及其影响因素,通过实验获得了高真空低能电子辐照下PTFE高压直流沿面闪络电压,并采用等温电位衰减法测试了PTEE在辐照前及辐照后的陷阱密度,分析了影响PTEE沿面闪络电压的因素。研究结果表明:相比于无辐照时PTFE沿面闪络电压,当辐照电子能量为19~25 keV时,闪络电压明显更高;在电子束流密度不变的情况下,电子能量越高,材料表面正电荷密度越小,陷阱密度与电导率越大,电场畸形程度越小,因此闪络电压升高;当电子能量一定时,束流密度越高,初始电子数量和二次电子数量越多,因此闪络电压降低。     

不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性

针对单极性脉冲电压下不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性开展实验研究。根据二次电子运动特性,设计了多种微槽宽度,对比了微槽结构和平面结构的绝缘子耐压特性差异。槽宽为1mm的微槽样品耐压水平与平面结构样品耐压水平相当,槽宽小于1mm的样品组耐压水平均高于平面结构样品,最高电压提高倍数约为1.4,说明一定尺寸范围内的微槽设计将提高绝缘子真空耐压水平。通过电场强度计算分析微槽结构对二次电子运动的影响过程可知,较大的微槽宽度可使电子限制在槽内运动,较小的微槽宽度将抑制初始电子的发展,最终二者都能达到抑制闪络的目的。通过显微镜观测各组样品表面特征,材料表面微观缺陷将可能降低材料耐压水平。     

块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构

对块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构进行了实验研究,结果发现:增加催化剂的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度降低,强度提高;增加前驱体的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度变化不大,强度提高;增加水量,凝胶化时间先缩短后增加,湿凝胶透明度先减小后增加,强度先增加后减小。利用扫描电镜对超临界干燥法制备的不同催化剂量和密度的块状TiO2气凝胶的结构进行了表征,并对结构与溶胶-凝胶过程之间的联系进行了分析。结果表明:增加催化剂量,由于缩聚反应进行的程度提高,气凝胶粒子粒径较小且总的孔径较大。减小前驱体量,气凝胶粒子粒径增大且结构逐渐疏松。     

Similarities of dielectric surface flashover under atmospheric conditions for pulsed unipolar and RF excitation

Mechanisms in vacuum surface flashover caused by rf (f < 10 GHz) or unipolar voltages are virtually identical. Similarities between rf (representing high-power microwave window breakdown on the high-pressure side) and unipolar surface flashover are expected in an atmospheric environment as well. Two separate experimental setups were utilized to investigate both unipolar flashover and rf window flashover under atmospheric conditions while controlling excitation, temperature, pressure, humidity, and type of gas present, all under a similar electric field-surface geometry. The local electric field at the flashover initiating points has been numerically calculated in detail for all test geometries. For both rf and unipolar pulsed excitation, the flashover dynamics are changed by the application of UV light to the dielectric surface. A UV prepulse has a distinct impact on the arc’s path and a tendency to decrease the hold-off electric field. The effect of humidity on the hold-off electric field for both pulsed unipolar and rf excitations, along with temporally resolved emission spectroscopy of the flashover event, is discussed. This work was funded by the Cathode and HPM Breakdown MURI program and managed by the Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) and by Sandia National Laboratories.     

Study on dielectric surface discharge in transformer oil under high voltage nanosecond pulse

Electrical equipments are always subjected to different operating conditions and voltage waves which cause electrical failure on the surface and in the bulk of dielectrics. In this paper, experiments have been carried out to study main factors that influence the characteristic of dielectric surface discharge in transformer oil. Experimental study on flashover of nylon 6 and polymethyl methacrylate (PMMA) under applied voltage ranged from 50 to 250 kV shows that the flashover voltage U is influenced by the insulation structure, rise velocity and pulse width of the applied voltage. Flashover electrical field value E in pulse with rise time less than 10 ns is higher than that in DC and AC voltages. When angle between electrode and the sample is about 45°, nylon 6 and PMMA show the best flashover performance. From these results, the influence of the secondary electron emission and space charges on the electrical breakdown of dielectrics has been stressed.     

释气对介质沿面闪络击穿影响的粒子模拟

为研究释气下的高功率微波介质沿面闪络击穿物理机制,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、次级电子发射、蒙特卡罗碰撞模型以及碰撞退吸附气体分子模型;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别研究了弱退吸附、强退吸附以及释气分子运动速率对沿面闪络击穿的影响.研究结果表明:介质沿面闪络击穿本质是沉积功率的持续增加.弱退吸附下,次级电子倍增占优,随着退吸附系数的增加,碰撞电离效应对次级电子倍增有促进作用,主要表现为介质窗表面静电场、表面碰撞电子平均能量以及表面碰撞电子数目的增加,此处的表面碰撞电子主要是次级电子倍增形成的;释气分子运动速率高导致介质面附近气压下降,不利于次级电子与气体分子间碰撞电离过程形成.强退吸附下,气体碰撞电离效应占优,随着退吸附系数的增加,离子数增加速度表现为电离频率增加的指数增长形式,碰撞电离效应对次级电子倍增有抑制作用,主要表现为介质窗表面静电场为负、表面碰撞电子平均能量的降低,但是表面碰撞电子数目却得以增加,此处的表面碰撞电子主要是贴近介质面的气体碰撞电离形成的;释气分子运动速率高导致气体厚度增加,扩大了气体碰撞电离作用区域,有利于气体碰撞电离.     

Window breakdown caused by high-power microwaves

Physical mechanisms leading to microwave breakdown on windows are investigated for power levels on the order of 100 MW at 2.85 GHz. The test stand uses a 3-MW magnetron coupled to an S-band traveling wave resonator. Various configurations of dielectric windows are investigated. In a standard pillbox geometry with a pressure of less than 10^-6 Pa, surface discharges on an alumina window and multipactor-like discharges starting at the waveguide edges occur simultaneously. To clarify physical mechanisms, window breakdown with purely tangential electrical microwave fields is investigated for special geometries. Diagnostics include the measurement of incident/reflected power, measurement of local microwave fields, discharge luminosity, and X-ray emission. All quantities are recorded with 0.21-ns resolution. In addition, a framing camera with gating times of 5 ns is used. The breakdown processes for the case with a purely tangential electric field is similar to DC flashover across insulators, and similar methods to increase the flashover field are expected to be applicable     

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。