波导等离子体限幅器中气体的选择与触发条件计算

 为保护电子设备不受高功率微波损坏,在矩形波导中嵌入等离子体限幅器。计算了不同气体的微波击穿场强随气体压强以及微波频率的变化规律。在高气压条件下（1 333~133 320 Pa）,气体击穿场强随气压增大而增大,在计算的4种气体中Ne的击穿场强最小;低气压条件下（1.333 2~133.32 Pa）,气体击穿场强随气压增大而减小,且Xe具有最小击穿场强。高气压条件下气体的击穿场强明显高于低气压下的击穿场强。计算结果表明：当填充133.32 Pa的Xe时,限幅器能够在约30 km范围内,有效地防护10 GW级高功率微波对电子设备的损坏。     

开放空间重复频率微波脉冲击穿概率理论与实验研究

综合考虑有效初始电子产生理论、雪崩电子击穿理论等过程中的击穿延迟时间,探讨了开放空间微波脉冲的击穿延时概率分布,提出了重复频率微波脉冲击穿概率模型,定义了基于概率模型的微波脉冲击穿阈值。利用S波段微波准光学反射聚焦系统对一定气压大气击穿过程进行了模拟,监测击穿放电发光时刻作为击穿时间,分别在铯137放射源存在与否情况下开展了系列实验。研究结果表明,提高种子电子产生率相较于提高电离率是增大脉冲击穿概率更有效的方法;重复频率过程中,若存在累积效应,击穿延时概率分布曲线将左移并趋于稳定,击穿后的气体在短时间内容易再次击穿。     

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。     

高功率微波单一气体及混合气体击穿特性

综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程,建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型,编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究,仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程,对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大,而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程,得到了Ar和N2击穿时间,并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验,测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜,大大减小了壁效应的影响,并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。     

同轴电缆头和转接头HPM击穿现象初步分析

介绍了同轴电缆头和转接头的HPM击穿实验研究方法,给出了几种电缆头和转接头微波击穿功率随微波频率、脉冲宽度、重复频率和脉冲持续时间变化规律的实验研究结果。结果表明:微波击穿发生在同轴电缆头连接处,是电缆接头沿面滑闪,且击穿功率随同轴电缆及转接头尺寸的减小而降低;击穿功率也随微波脉冲宽度（30 ns～1 μs）的增大而减小,并且在100 ns附近有一拐点;在低重复频率（1～1000 Hz）下,重频对击穿功率的影响不大;微波频率在2.856～9.37 GHz变化时,微波频率对击穿功率的影响不明显;微波脉冲宽度较窄时（几十ns以下）,击穿功率随持续时间变化不大,脉冲宽度较宽时（百ns以上）,击穿阈值随持续时间的增大而下降。     

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     

液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明:短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

 设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明：短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究

综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型,基于高功率微波混合大气传输模型,提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型,定义了单脉冲高功率微波击穿阈值.理论研究结果表明:考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后,大气击穿时对应的等离子体频率明显变大;大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大,在30-60 km区域存在一个极小值.开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究,得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值,且与理论结果一致性较好.     

重复频率纳秒脉冲聚四氟乙烯薄膜击穿特性

实验研究了聚四氟乙烯薄膜在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性,选用脉冲上升时间约15 ns,脉宽30~40 ns,重复频率1~1 000 Hz。测量并计算了击穿前后的电压电流波形、重复频率耐受时间和施加脉冲个数与击穿特性密切相关的参数。结果表明,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿场强为MV/cm量级,重复频率耐受时间随施加场强和重复频率的增大而减小。薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿应考虑重复频率条件下的热积累效应和材料缺陷。     

Effect of air breakdown on microwave pulse energy transmission

The energy transmission of the long microwave pulse for the frequency of 2.45 GHz and 5.8 GHz is studied by using the electron fluid model, where the rate coefficients are deduced from the Boltzmann equation solver named BOLSIG+. The breakdown thresholds for different air pressures and incident pulse parameters are predicted, which show good agreement with the experimental data. Below the breakdown threshold, the transmitted pulse energy is proportional to the square of the incident electric field amplitude. When the incident electric field amplitude higher than the breakdown threshold increases,the transmitted pulse energy decreases monotonously at a high air pressure, while at a low air pressure it first decreases and then increases. We also compare the pulse energy transmission for the frequency of 2.45 GHz with the case of 5.8 GHz.     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

高压氦气平行极板击穿电压实验研究

为获得高温气冷堆核电站电气设备绝缘设计所需基础数据, 本文设计了一套测量高压氦气绝缘性能的装置. 利用该装置进行了15-20 ℃, 0.1-7 MPa氦气, 间距0.25, 0.35, 0.5 mm平行极板击穿实验. 实验表明: 氦气的绝缘性能远低于空气; 气压越高, 氦气的击穿电压越大, 3.0 MPa氦气的击穿电压与常压空气基本一致; 根据低气压实验数据和巴申定律推导的公式, 在高气压下计算值偏大, 且偏差随着气压和间距乘积的增大不断增大; 提出了可计算0.1-7 MPa氦气击穿电压的简易公式, 同时修正了高气压氦气的巴申公式, 并进行了理论分析.     

Numerical and theoretical calculation of breakdown voltage in the electrical discharge for rare gases

This work has been devoted to a numerical and analytical calculus of the voltage breakdown in electrical discharge for several rare gases such as argon, krypton, neon, xenon and helium. It was performed using a fluid model 2D, which is based on the numerical solution of the two Boltzmann equations (equation of continuity and momentum), coupled to Poisson's equation to measure the breakdown voltage according to the product of the electrode spacing and the pressure. This study allowed a better comprehension of the physical phenomena occurring in the discharges. We, thus, developed a calculation, based on the empirically Paschen's law, allowing the determination of the breakdown voltage, which describes the transition from insulating gas to the conductive state. Paschen's curves of the different gases are plotted and a comparison between numerical and experimental as well as analytical results is also presented and analyzed.     

激光大气击穿阈值的数值分析

 针对大气中飞行器的等离子体隐身问题,数值计算了ns量级强激光击穿大气的阈值,讨论了一些相关条件对阈值的影响。结果表明：对于ns量级的入射激光,波长越长,大气的击穿阈值越小;气压越大,击穿阈值也越小;气体中存在的初始电子对不易产生光电离的长波长入射激光的击穿阈值,有明显的减少作用,但对短波长入射激光的击穿阈值几乎没有影响;脉宽越宽,激光辐照的时间越长,大气击穿的阈值越小。     

Non-recessed-gate quasi-E-mode double heterojunction AlGaN/GaN high electron mobility transistor with high breakdown voltage

A non-recessed-gate quasi-E-mode double heterojunction AlGaN/GaN high electron mobility transistor(quasi-EDHEMT) with a thin barrier, high breakdown voltage and good performance of drain induced barrier lowering(DIBL)was presented. Due to the metal organic chemical vapor deposition(MOCVD) grown 9-nm undoped AlGaN barrier, the effect that the gate metal depleted the two-dimensiomal electron gas(2DEG) was greatly impressed. Therefore, the density of carriers in the channel was nearly zero. Hence, the threshold voltage was above 0 V. Quasi-E-DHEMT with 4.1-μm source-to-drain distance, 2.6-μm gate-to-drain distance, and 0.5-μm gate length showed a drain current of 260 mA/mm.The threshold voltage of this device was 0.165 V when the drain voltage was 10 V and the DIBL was 5.26 mV/V. The quasi-E-DHEMT drain leakage current at a drain voltage of 146 V and a gate voltage of-6 V was below 1 mA/mm. This indicated that the hard breakdown voltage was more than 146 V.     

New features of laser-induced gas breakdown in the ultraviolet

A study of gas breakdown induced by the ultraviolet second harmonic of ruby laser radiation has revealed an anomalously high threshold intensity for hydrogen. In addition, it has been demonstrated for the first time that the focal volume dependence of the breakdown threshold, of a number of molecular and noble gases, is influenced by the frequency of the incident radiation.     

氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.     

强电磁脉冲(激光、微波)在高温离解氮气中的击穿效应

 通过对电子能量分布函数所满足的Boltzmann方程的求解，在理论上分析了强电磁脉冲(激光、微波)在高温氮气中的击穿效应。高温气体的一个主要特征是其中的部分气体分子会离解为原子，这一离解效应会对强电磁脉冲在气体中发生电离击穿的阈值产生影响。计算表明：随着温度的升高，氮分子的离解度增大，强电磁脉冲的击穿阈值下降；击穿阈值的下降幅度与电磁波的频率有关，对频率较高的红外激光，击穿阈值下降明显；而对微波，击穿阈值所受影响较小。     

一种新型大气压毛细管介质阻挡放电冷等离子体射流技术

介绍一种结构设计简单、操作运行方便的新型毫米量级大气压冷等离子体射流发生技术.这种射流可以在大气压条件下，利用多种工作气体(如Ar,He,N₂)，通过毛细管介质阻挡放电(DBD)的方式实现.使用频率为33kHz，峰值电压为1—12kV的双向脉冲电源，利用Ar,He,N₂等工作气体，在毛细管内形成了稳定的冷等离子体射流.放电区域的光辐射空间分布利用商用CCD摄像机记录，从中研究放电形态和空间分布，观察到了在DBD区域的流动气体放电和在毛细管出口处形成的等离子体射流 关键词： 冷等离子体射流 毛细管介质阻挡放电 射流射程 射流激发温度