极不均匀电场下重复频率纳秒脉冲气体击穿实验研究

实验研究了尖-板电极中,不同重复频率（10,100,500,1 000 Hz）、不同间隙(0.5,1 cm),不同气压（0.1～0.4 MPa）等条件下空气的绝缘特性。得到了击穿时延、重复频率耐受时间、施加脉冲个数等与施加电压、重复频率的关系。研究发现：在该实验条件下击穿时延随着场强与气压的比值减小而增加,但重频耐受时间和脉冲击穿个数并没有明显变化;随着重复频率的提高,击穿时延和重频耐受时间会减小,但脉冲击穿个数可能会增加;且重复频率条件下击穿的极性效应不明显;重复施加的脉冲产生大量的亚稳态粒子和残余电荷影响放电的发展过程;负离子的脱负或正离子碰撞阴极的过程,及亚稳态粒子的去激励作用给击穿提供了有效初始电子。     

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。     

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。     

Measurement and control for a repetitive nanosecond-pulse breakdown experiment in polymer films

In order to perform data acquisition and avoid unwanted over-current damage to the power supply, a convenient and real-time method of experimentally investigating repetitive nanosecond-pulse breakdown in polymer dielectric samples is presented. The measurement-acquisition and control system not only records breakdown voltage and current, and time-to-breakdown duration, but also provides a real-time power-off protection for the power supply. Furthermore, the number of applied pulses can be calculated by the product of the time-to-breakdown duration and repetition rate. When the measured time-to-breakdown duration error is taken into account, the repetition rate of applied nanosecond-pulses should be below 40~kHz. In addition, some experimental data on repetitive nanosecond-pulse breakdown of polymer films are presented and discussed.     

极不均匀电场下重复频率纳秒脉冲气体击穿实验研究

 实验研究了尖-板电极中,不同重复频率（10,100,500,1 000 Hz）、不同间隙(0.5,1 cm),不同气压（0.1～0.4 MPa）等条件下空气的绝缘特性。得到了击穿时延、重复频率耐受时间、施加脉冲个数等与施加电压、重复频率的关系。研究发现：在该实验条件下击穿时延随着场强与气压的比值减小而增加,但重频耐受时间和脉冲击穿个数并没有明显变化;随着重复频率的提高,击穿时延和重频耐受时间会减小,但脉冲击穿个数可能会增加;且重复频率条件下击穿的极性效应不明显;重复施加的脉冲产生大量的亚稳态粒子和残余电荷影响放电的发展过程;负离子的脱负或正离子碰撞阴极的过程,及亚稳态粒子的去激励作用给击穿提供了有效初始电子。     

Abnormal polarity effect in nanosecond-pulse breakdown of SF6 and nitrogen

The breakdown of gas gaps in an inhomogeneous electric field at subnanosecond and nanosecond voltage pulse rise times are studied, and the famous polarity effect in point-to-plane gaps is investigated. It is shown that at a voltage pulse rise time of ∼0.5 ns, the inversion of polarity effect takes place not only in electronegative gases such as SF₆, but also occurs in electropositive nitrogen. The inversion of polarity effect is related to a delay of electron emission from the plane cathode on arrival of the ionization wave front anode to the cathode. It is found that with a voltage pulse rise time of ∼0.5 ns, the inversion of polarity effect occurs at SF₆ and SF₆–N₂ pressures of 0.25 MPa and lower, and with a voltage pulse rise time of 15 ns, at a SF₆ pressure lower than 0.12 MPa.     

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.     

大气压空气中重复频率纳秒脉冲气体放电模式研究

利用上升沿100ns、脉宽150ns的单级磁压缩纳秒脉冲电源,通过电压电流测量和放电图像拍摄实验,研究了大气压空气中极不均匀电场结构重复频率纳秒脉冲气体放电的放电模式。结果表明纳秒脉冲气体放电存在三种典型的放电模式:电晕放电、弥散放电和火花放电。施加的脉冲电压幅值对放电模式影响显著,随着电压幅值的增加,放电依次经历电晕、弥散和火花放电。固定电压幅值时,放电可能同时存在两种模式。重复频率加强了放电强度,弥散放电的激发电压随重复频率的增加变化不大,但火花放电的激发电压随着重复频率的增加而降低。因此降低重复频率有利于在较大电压范围获得大气压空气弥散放电。     

大气压空气中重复频率纳秒脉冲气体放电模式研究

利用上升沿100 ns、脉宽150 ns的单级磁压缩纳秒脉冲电源,通过电压电流测量和放电图像拍摄实验,研究了大气压空气中极不均匀电场结构重复频率纳秒脉冲气体放电的放电模式。结果表明纳秒脉冲气体放电存在三种典型的放电模式：电晕放电、弥散放电和火花放电。施加的脉冲电压幅值对放电模式影响显著,随着电压幅值的增加,放电依次经历电晕、弥散和火花放电。固定电压幅值时,放电可能同时存在两种模式。重复频率加强了放电强度,弥散放电的激发电压随重复频率的增加变化不大,但火花放电的激发电压随着重复频率的增加而降低。因此降低重复频率有利于在较大电压范围获得大气压空气弥散放电。     

快脉冲下有机玻璃击穿特性实验

基于CKP1000脉冲源建立了实验平台,实验获得了单次脉冲、不同脉宽、均匀电场下有机玻璃的击穿场强和击穿时延,对有机玻璃的击穿过程进行了分析。实验脉冲的幅值约为230 kV,前沿760~960 ps,脉宽2.3~4.0 ns（FWHM）,试样的平均厚度为1.1 mm。实验结果表明,随着脉冲宽度从2.3 ns增加至4.0 ns,有机玻璃的平均击穿场强从301 kV/mm降至276 kV/mm,平均击穿时延则基本保持不变,其中前沿760 ps,脉宽约2.3 ns时对应击穿时延的分散性增大。     

高功率大电荷量重复频率气体开关实验研究

在自行研制的纵吹式场畸变型气体开关上,开展了大电流、大电荷传递量重复频率实验研究,已实现的开关最大工作参数为：电压100kV,电流85kA,电荷传递量0.6C/脉冲,重复频率10Hz,单脉冲能量5kJ。结果表明,气流流速、电极烧蚀及绝缘筒污染对开关重复频率和工作寿命有较大影响。     

兆伏级重复频率三电极气体开关工作特性研究

以“CHP01”加速器为实验平台,对自行研制的重复频率三电极气体开关的工作特性开展了实验研究,并对实验结果进行了分析。研究结果表明：开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时,开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关;开关电压选择在自击穿电压的大约80％时,开关抖动小、误触发率低,具有较好的工作特性。     

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     

高功率重复频率三电极气体开关自击穿特性

以“CHP01”加速器为实验平台,对自行研制的重复频率三电极气体开关的自击穿特性开展了实验研究。研究了开关自击穿特性与气压、气流流速、电极形状等因素的关系,并对实验结果进行了分析。结果表明：随着气压的升高,开关自击穿电压分散性变大;适当流速的气流有助于减小开关的自击穿分散性,但气流流速过大将加大自击穿分散性;当通过改变电极形状增大极间场增强因子时,开关电极间场增强因子变大,开关分散性减小,但平均自击穿电压有所降低。     

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.     

纳秒脉冲表面介质阻挡放电特性实验研究

在常规大气环境条件下,基于单极性纳秒脉冲电源对表面介质阻挡放电特性进行了实验研究。结果表明:纳秒脉冲表面介质阻挡放电的本质是丝状放电,放电集中在电压脉冲的上升沿;激励电压和脉冲重复频率越大,放电越强烈,越接近均匀放电,但电压的作用更侧重于均匀性,而频率的作用则侧重于放电的强度;电极间隙的优化可以使表面介质阻挡放电特性最好;玻璃作为阻挡介质时容易发生沿面闪络。     

重复频率强流电子束的产生和传输实验研究

电子束真空二极管重复频率运行时,它将表现出与单次运行时不同的特点。在电子束产生过程中,屏蔽半径应尽可能地小,且击穿延时时间较短,故选择石墨作为阴极材料。实验结果表明：在重复频率运行时,当环型阴极环厚较薄时,阴极的发射电流密度较大,因此对阴极的加热效应也加强,等离子体的膨胀速度加快,从而使得二极管阻抗减小,最后几次输出的电子束的电流较大,而电压减小;当重复频率较高时,由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快,最后几个脉冲阴极发射能力增强,波形重复性变差;当引导磁场强度增大时,阴极等离子体受到较大的磁场力约束,横向膨胀速度减慢,从而使得电子发射面积减小,总发射电流减小,二极管的阻抗增大。最后取引导磁场为1.5 T,阴极环厚为1 mm,得到重复频率100 Hz、束压827 kV、束流8.22 kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出。     

亚纳秒气体开关中气体击穿的数值计算

对亚纳秒气体开关的放电过程,提出了气体击穿阶段的物理与数学模型以及数值计算方法,并对氢气和氮气的这一击穿过程进行了数值仿真。对于1mm氮气间隙,计算了充电电压波形为纳秒级上升的斜角平顶波时,开关放电时延以及击穿电压随气压和充电电压上升时间的变化。对于氢气,利用美国Sandia实验室的一个实验结果对数值仿真方法进行了验证,所得到的计算结果与实验结果很好地吻合,初步表明所建立的物理模型与计算方法的正确性。     

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.     

MV级多通道重复频率气体开关的设计及初步实验

介绍了一种高工作电压、高重复频率的多通道气体开关的工作原理、设计方法及在SINUS-700加速器上开展的实验情况。初步结果表明,开关实现了工作电压1.15 MV、峰值电流约14.4 kA、重复频率100 Hz、工作范围64.5%的最大稳定运行参数,并实现了多通道放电。