高场强下半导体沿面闪络现象的研究进展

综述了国内外半导体沿面闪络的研究现状,阐述了电极结构的类型和影响闪络的主要因素;根据自定义的等值电导参数将闪络的发展划分为欧姆电导、局部闪络和贯通闪络3个阶段;通过对表面细丝电流的热过程进行实验和仿真研究,认为表面细丝电流通道的温度可以接近材料熔点,这一结果同时也支持了表面发热导致气体分子解吸附的假设;进一步通过气体解吸附的实验初步确定了存在外部的闪络通道。     

高场强下半导体沿面闪络现象的研究进展

 综述了国内外半导体沿面闪络的研究现状,阐述了电极结构的类型和影响闪络的主要因素;根据自定义的等值电导参数将闪络的发展划分为欧姆电导、局部闪络和贯通闪络3个阶段;通过对表面细丝电流的热过程进行实验和仿真研究,认为表面细丝电流通道的温度可以接近材料熔点,这一结果同时也支持了表面发热导致气体分子解吸附的假设;进一步通过气体解吸附的实验初步确定了存在外部的闪络通道。     

激光引起玻璃表面的破坏

探讨了高功率激光对玻璃表面的破坏。测量了在２００ｐｓ激光正入射照射下Ｋ８玻璃的破坏阈值。解释了样品输入面和输出面破坏阈值不同的原因。     

环氧树脂的等离子体表面梯度刻蚀及沿面闪络性能研究

结合等离子体表面刻蚀方法与梯度改性方法,实现了氧化铝/环氧树脂表面的等离子体梯度刻蚀。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析(XPS)、高阻计、闪络电压和表面电位测试系统,对比了未处理、等离子体均匀刻蚀、等离子体梯度刻蚀三种情况的样片表面形貌、化学元素和电气参数,研究了等离子体梯度刻蚀对沿面闪络性能的提升机理。结果表明,等离子体表面刻蚀可提升环氧树脂表面粗糙度、提高样片表面电导率、浅化陷阱能级以及提升沿面闪络电压。等离子体梯度刻蚀对闪络电压的提升效果要优于等离子体均匀刻蚀,相比于未处理样片最大可提升26.5%。分析认为针-针电极的电场分布可划分为三结合点处附近的高场强区和电极之间的低场强区,加快高场强区的表面电荷消散速率并适当控制低场强区表面电荷迁移速率,可以最大程度地提升样片整体的沿面闪络性能。     

刻槽绝缘子真空表面闪络光学特性

利用超高速相机Hsfc-Pro对绝缘子真空表面闪络光学特性进行了研究,重点分析了平板和刻槽结构圆盘形介质样品在指状电极下闪络通道的差异以及刻槽结构对材料绝缘强度的提升。实验结果表明:槽纹的引入改变了闪络通道的形成位置,平板结构介质样品的表面闪络一般是沿两电极中心连线发展,而刻槽结构介质样品的表面闪络则是沿介质边缘发展。这导致后者的闪络时延至少是前者的/2倍,证明了刻槽结构可以在不增加器件尺寸的前提下有效提高介质材料的绝缘强度。     

刻槽绝缘子真空表面闪络光学特性

利用超高速相机Hsfc-Pro对绝缘子真空表面闪络光学特性进行了研究,重点分析了平板和刻槽结构圆盘形介质样品在指状电极下闪络通道的差异以及刻槽结构对材料绝缘强度的提升。实验结果表明：槽纹的引入改变了闪络通道的形成位置,平板结构介质样品的表面闪络一般是沿两电极中心连线发展,而刻槽结构介质样品的表面闪络则是沿介质边缘发展。这导致后者的闪络时延至少是前者的/2倍,证明了刻槽结构可以在不增加器件尺寸的前提下有效提高介质材料的绝缘强度。     

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。     

刻槽绝缘子真空表面闪络特性分析

基于一台长脉冲低阻抗强流相对论电子束加速器,对聚四氟乙烯、高分子量聚乙烯和聚碳酸酯在真空百ns高压脉冲下的绝缘特性进行了测量,重点研究了周期刻槽结构对材料绝缘强度的提升能力。实验表明：刻槽结构的引入可以有效地提高介质材料的闪络时延;聚碳酸酯是3种材料中比较优越的一个,刻槽处理可以使其闪络延时获得90%左右的提升。扫描电镜分析的结果也表明材料的表面特性是影响介质样品闪络时延的一个重要因素。     

表面喷砂对有机玻璃沿面闪络性能影响

绝缘子表面粗糙处理是提升其沿面闪络性能的重要途径,表面粗糙化处理方式不当,极易带来表面结构不均匀,难以获得稳定耐压性能的绝缘材料。为提升绝缘子表面粗糙处理的均匀性,本文利用表面喷砂技术对圆柱形有机玻璃（PMMA）绝缘子进行了粗糙化处理研究,以球形二氧化硅（SiO₂）颗粒为工作介质,研究了不同喷砂粒径、氢氟酸后处理等因素对绝缘材料表面形貌和组分的影响,并利用短脉冲高压测试平台对喷砂处理前后有机玻璃绝缘子样品进行了真空沿面闪络性能测试。研究结果表明,喷砂处理在有机玻璃表面形成了较为均匀的凹坑,HF酸能够有效去除表面残留的SiO₂颗粒,具有表面喷砂粗糙结构的绝缘子沿面闪络电压得到了稳定提升,相较于未处理的绝缘子闪络电压提升了约80%。     

不同E/cB值下同轴绝缘子闪络特性

基于磁场闪络抑制原理,研究了由回路电流产生的同轴自磁场对径向真空固体绝缘界面沿面闪络特性的影响规律。根据同轴结构电场E和磁场B的比值与半径无关、只与电路参数相关的特点,分别设计了E/cB（c为光速）为0.041,0.05,0.056和0.062的四种同轴电极结构,开展了有磁场和无磁场两种条件下电介质的真空沿面闪络实验研究。实验结果表明,在有利于磁场闪络抑制条件的自磁场位形下,真空沿面闪络耐压水平相比无磁场情况有明显提高,且比值E/cB越小闪络电压提高幅度越大。当E/cB比值为0.041时,沿面闪络电压可提高约1.3倍;而当自磁场位形反向时,沿面闪络电压相比于无磁场情况有所降低。     

基于磁场闪络抑制技术的真空沿面闪络实验研究

为解决脉冲功率系统中击穿电压最低的部分,即真空固体绝缘界面,采用磁场闪络抑制技术提高闪络电压,为研究磁场和沿面闪络电压的关系,针对不同介电常数的样品开展了一系列相关实验。实验结果表明:采用电容器对通电螺线管充电产生的脉冲强磁场稳定可靠,并且当施加在绝缘子表面磁场强度为1.1 T时,PMMA材料的闪络电压可以提高至1.8倍。     

基于磁场闪络抑制技术的真空沿面闪络实验研究

为解决脉冲功率系统中击穿电压最低的部分,即真空固体绝缘界面,采用磁场闪络抑制技术提高闪络电压,为研究磁场和沿面闪络电压的关系,针对不同介电常数的样品开展了一系列相关实验。实验结果表明：采用电容器对通电螺线管充电产生的脉冲强磁场稳定可靠,并且当施加在绝缘子表面磁场强度为1.1 T时,PMMA材料的闪络电压可以提高至1.8倍。     

激光触发真空沿面闪络开关的初步实验研究

介绍了沿面闪络开关的发展状况和基本原理,实验研究了真空条件下激光触发介质沿面闪络特性。实验采用固体Nd:YAG纳秒激光器作为触发源,对试样施加正直流高压,电压范围1～6 kV,试样绝缘子为直径50 mm的尼龙6。通过研究不同激光能量、波长和聚焦形状对介质闪络的影响,总结出适用于沿面闪络开关的激光触发形式。实验表明：在一定电场和真空度下闪络的时延和抖动将随着输入激光能量的提高而减小,而激光可触发的电压范围将提高;激光波长减小有助于提高触发的稳定性;激光焦斑的形状是沿面闪络触发的最大影响因素,采用具有一定能量密度、焦斑横跨两电极的带状激光来触发闪络是闪络开关的理想选择。     

自磁场下绝缘子沿面闪络特征

基于磁场闪络抑制原理,研究回路电流产生的自磁场效应对固体材料绝缘性能的影响。通过计算电场强度与磁感应强度的临界比值,设计了同轴电极结构,确定了满足闪络抑制判据的电极尺寸,开展自磁场闪络抑制实验、自磁场闪络促进实验以及无磁场绝缘闪络实验,对比三种条件下绝缘材料的沿面闪络规律,分析磁场位形对材料绝缘特性的影响情况。实验结果表明:绝缘样品在自磁场闪络抑制效应影响下闪络电压提高了约15%,在自磁场促进闪络效应下闪络电压降低了约18%。     

刻槽绝缘子真空表面闪络特性分析

基于一台长脉冲低阻抗强流相对论电子束加速器,对聚四氟乙烯、高分子量聚乙烯和聚碳酸酯在真空百ns高压脉冲下的绝缘特性进行了测量,重点研究了周期刻槽结构对材料绝缘强度的提升能力。实验表明:刻槽结构的引入可以有效地提高介质材料的闪络时延;聚碳酸酯是3种材料中比较优越的一个,刻槽处理可以使其闪络延时获得90%左右的提升。扫描电镜分析的结果也表明材料的表面特性是影响介质样品闪络时延的一个重要因素。