高功率微波介质窗表面矩形槽抑制二次电子倍增

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹,考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响,理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz,脉宽1μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验,试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率,在槽深(1.0mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化,仿真结果很好地验证了试验现象。     

介质窗口材料对高功率微波传输特性的影响

运用光学方法,分析平面波通过无限大介质平板的传输特性,进而分析单层介质窗口的引入对微波传输性能的影响。在S波段微波源上对聚四氟乙烯材料进行了真空环境下的微波放电击穿实验,通过长时间的表面放电,在聚四氟乙烯材料表面出现电痕和电树枝。在100 ns脉冲宽度下,未发生大面积表面放电前,通过光学照相,在介质表面观测到局部放电现象,认为局部放电仍能导致材料表面破坏。作为对比,进行了聚苯乙烯材料的电老化实验,实验结果表明聚苯乙烯材料具有良好的耐电痕、耐电树枝老化特性。     

激光辐照绝缘样品不同位置的沿面闪络性能

绝缘体沿面闪络是制约脉冲功率技术发展的瓶颈之一。为了能对沿面闪络机理有更深的认识,通过在沿面闪络过程中引入激光辐照的作用,考察了绝缘样品上不同的辐照位置对于沿面闪络性能的影响。实验结果表明：辐照位置越靠近闪络起始的地方,对沿面闪络性能的影响越大;在沿面闪络的过程中,不同的阶段如闪络起始阶段及电子倍增阶段在整个闪络过程中所起的作用不同。     

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。     

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。     

不同应用条件下最佳绝缘子构型

绝缘子的沿面闪络制约着脉冲功率系统向高电压、大电流方向发展,总结了几种实际应用条件下的最佳绝缘子构型,并对不同角度下绝缘子表面的带电情况进行了分析。结果表明,表面电荷对不同绝缘子构型的性能起着至关重要的作用,需要根据不同的应用条件来开展实验研究以确定最佳的绝缘子构型。     

真空脉冲电容器

针对真空条件下干式脉冲电容器在额定工作电压以下较易发生闪络故障的情况,提出了一种新型真空脉冲电容的绝缘结构。分析了真空条件下大容量脉冲电容器的失效机制和解决方案;研究了3种不同绝缘材料沿面闪络电压,并进行相关理论分析;提出一种电容器整机灌封结构,该结构采用固体绝缘方式,避免了真空下的电容器低气压放电。通过对研制的真空脉冲电容器的测试表明,该脉冲电容器可以在10-2Pa及其以下气压的真空条件下可靠工作。     

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。     

亚微秒脉冲下高梯度绝缘子的沿面闪络特性

介绍了一种由聚酰亚胺和不锈钢叠加而成的高梯度绝缘子的实验研究工作。该绝缘子样品的直径60 mm,厚度8 mm,在脉冲宽度120 ns(FWHM)的电压脉冲加载下最高获得了接近13 MV/m的绝缘强度。研究了测试方法以及绝缘层厚度与金属层厚度的比例对高梯度绝缘子绝缘强度的影响,并与相同尺寸的普通材料绝缘子的绝缘强度进行了对比。结果表明,高梯度绝缘子的绝缘强度明显高于仅由聚酰亚胺构成的普通绝缘子。

     

多脉冲加载下材料的绝缘特性

利用多脉冲实验平台分别对尼龙与交联聚苯乙烯两种绝缘材料在单脉冲与三脉冲两种不同加载条件下的绝缘特性差异进行初步研究,得到了两种绝缘材料在不同加载条件下沿面闪络场强的统计平均值,结合实验现象对所得实验结果做出了初步分析。通过进行单脉冲与三脉冲加载条件下材料沿面闪络场强的对比实验,为新型绝缘器件设计中相关参数的确定提供了实验依据。