电极锥角对真空沿面放电等离子体生成特性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)(北京交通大学,电气工程学院 作者:王浩

  本实验采用持续时间为微秒级、放电电流为100 A~300 A 的单脉冲电源形式,设计了三种不同锥角的铝电极。通过朗缪尔探针法测量放电生成的等离子体相关参数,讨论了电极锥角对真空沿面放电等离子体生成特性的影响。由于爬距相同时沿面放电的路径具有不确定性,导致探针法无法准确测得等离子体参数。本实验采用OPT101 光电转化芯片对真空沿面放电瞬间的电弧发光强度进行测量,并通过双缝法对放电路径进行了筛选,从而保证探针法测量数据的可靠性。实验结果表明,阴极锥角越小,阴极三结合点处电场强度越大,越容易发生沿面放电;阴极三结合点处电场强度越大、阴极三结合点的分布范围越大,沿面放电得到的主放电电流越大,最终测得的等离子体密度也越大。

  目前有关真空沿面闪络发生机理的解释主要有以下两种假说:①二次电子崩假说(SEEA)②极化松弛理论(ETPR),其中二次电子崩假说得到了大多数研究真空沿面放电的学者的认同。它的基本内容是,由于电极与绝缘体接触时会存在微小间隙,从而导致阴极三结合点处(电极、绝缘体、真空介质三者的交界点)的局部场强发生畸变,电场强度明显高于其他位置的电场强度,会在阴极三结合点处产生强场致发射的初始电子。初始电子碰撞绝缘体会产生二次电子,二次电子又撞击绝缘体表面,致使更多的电子从绝缘体内发射出来,进而发展成二次电子崩。由于绝缘体表面存在吸附气体,电子碰撞绝缘体会引发气体的解吸附,致使绝缘体表面的局部气压升高。在高场强作用下绝缘体表面气体发生电离,沿面闪络形成。

  根据二次电子崩假说,阴极三结合点处微小缝隙引起局部场强增强,导致初始电子的发射。电极结构的改变可以在一定程度上影响阴极三结合点处的电场强度以及阴极三结合点的分布范围。本实验通过设计不同锥角的电极结构来改变阴极三结合点处的电场强度,讨论电极锥角对真空沿面放电等离子体生成特性的影响。

1、实验装置

2、实验结果及讨论

  本实验设计了三种不同锥角的铝电极结构作为阴极,分别是锥角为60°的圆锥形电极,锥角为120°的圆锥形电极,锥角为180°的平板电极,三种电极结构参数如图6 所示。实验所用阳极均为直径10 mm,高度25 mm 的圆柱形平板钢电极。

三种不同锥角的电极结构

图6 三种不同锥角的电极结构

  实验过程中所用的绝缘体是高度为5 mm,直径为10 mm 的圆柱形聚四氟乙烯。电极布置如图7 所示,在实验中绝缘体放置在阴极和阳极之间并与之接触,同时保证阴极与绝缘体的接触点(或者接触面)为柱形绝缘体的圆心(或者接触面的圆心与柱形绝缘体的圆心重合)。

沿面放电电极布置图

图7 沿面放电电极布置图

  实验采用持续时间为微秒级、电流为100A~300A的单脉冲电源形式,电源电压幅值在10 kV~30 kV之间内可调。放电过程中的电流、电压波形如图8 所示。

放电电流、电压波形

图8 放电电流、电压波形

2.1、不同锥角的电极结构下真空沿面放电等离子体的生成特性分析

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2.2、电场仿真

  应用Ansoft Maxwell 3DR 对三种锥角的电极结构进行了电场仿真,并观察了沿直线L1 的电场分布情况(其中L1 为聚四氟圆柱上表面直径所在直线)。仿真过程中在阴极施加- 12 kV 的电压激励,阳极保持接地,仿真结果如图10 所示。通过仿真结果可知,阴极三结合点处的电场强度明显大于电极间其他位置的电场强度,且电极锥角越大,阴极三结合点的电场强度越小。由图11 可知,可以看出在阴极尖端的两侧分布有两个电场最强点。它们的电场强度值大于阴极尖端处的场强值,此即为放电过程中的阴极三结合点。

三种不同锥角电极的电场分布

图10 三种不同锥角电极的电场分布

三种不同锥角电极的电场分布

图11 锥角60°电极下沿L1 的电场分布

2.3、实验结果的分析

  由二次电子崩假说,阴极三结合点是真空沿面放电过程的起点。阴极三结合点处由于局部场强畸变发生场致发射产生初始电子,初始电子碰撞绝缘体形成二次电子崩进而发生沿面放电。所以,阴极三结合点处电场强度越大的电极更容易产生初始电子,沿面放电也就更容易发生,击穿电压也就越低。

  阴极三结合点处会由于强场致发射产生初始电子,初始电子在向阳极运动的过程中撞击绝缘体表面时产生二次电子,同时会在绝缘体表面留下正离子,这些正离子会使阴极三结合点的电场强度进一步增强,致使更多的电子从阴极三结合点处场致发射出来,继续碰撞绝缘体表面形成二次电子。由电场仿真结果可知,锥角60°电极的阴极三结合点处电场强度最大,所以正离子对其增强作用就更加明显,从阴极三结合点处场致发射出的电子就会更多,放电过程中得到的电子流(放电电流)就越大,测得的等离子体密度也就越大。

  对于锥角为120°的电极和锥角为180°的电极,由电场仿真可以看出,锥角120°的电极阴极三结合点处的电场强度略大,但两者相差并不明显。阴极三结合点是真空沿面放电的薄弱之处,阴极三结合点的分布范围越大,意味着放电过程中就有更多的薄弱点存在。由于锥角120°的电极与绝缘体接触的范围是一个点,而锥角180°的电极与绝缘体接触的范围为圆形面,所以锥角180°电极的阴极三结合点分布范围更大,从而导致有更多引发场致电子发射的薄弱点产生,使有更多的场致发射电子参与电子倍增过程。所以锥角180°的电极放电时得到的主放电电流较大,测得的等离子体密度也较大。

3、结论

  本实验设计了锥角不同的三种电极结构,通过在真空实验平台上进行一系列对比实验,讨论了电极锥角对真空沿面放电等离子体生成特性的影响。

  (1) 阴极三结合点是沿面放电的起始点,阴极三结合点处的电场强度明显大于电极间其他位置的电场强度。在真空沿面放电过程中,当阴极为锥形时,阴极三结合点(场强分布最强点)分布在阴极锥的两端。

  (2) 锥角越小的电极,击穿电压越低,越容易发生沿面闪络放电。

  (3) 锥角越小的电极,阴极三结合点处的电场强度越大,放电过程中得到的主放电电流较大,最终测得的等离子体密度也较大。

  (4) 真空沿面放电时阴极三结合点处电场强度相差并不明显时,阴极三结合点的分布范围越大,主放电电流越大,测得的等离子体密度也越大。

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