触发型真空弧放电特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国工程物理研究院电子工程研究所 作者:万翔

  基于沿面放电设计了短间距的触发型真空弧放电装置,利用高速相机研究了触发真空弧放电特性,获得了不同放电时刻的放电图像。通过分析放电图像,发现主弧放电开始阶段,主弧电流主要为电子电流,而且在阳极附近观察到较强的离子电流。研究发现阴极斑的形成和等离子体的扩散是主间隙击穿的关键因素。初始阴极斑不仅为发回路提供载流子,同时影响着主间隙的击穿。文章讨论了阴极表面离子鞘层对表面电场的影响,阴极表面场强可达107 V/m。同时本文讨论了背景气压对电极间隙放电延迟时间的影响。

  真空弧放电能产生高电流的离子束,尤其用于产生金属离子束,被广泛用于工业生产和科学研究中,比如材料表面改性、加速器离子注入,等离子体推进器以及核物理研究与应用等等方面。触发真空间隙结构(Triggered Vacuum Gap,TVG)是一种放电结构,在高压脉冲功率研究领域应用广泛,通流能力强,而且其击穿电压远低于相同电极间距下的真空击穿,可以在较低的电压脉冲作用下产生高强度的离子束。Lafferty 和Boxman较早的对这种放电结构进行了研究,Gilmour 和Lockwood 最早将这种结构用于可重复的脉冲真空弧等离子体枪,后来Lawrence Berkerey Laboratory在此基础上又发展了一系列带触发结构的金属真空弧离子源(Metal Vapor Vacuum Arc,MEVVA)。

  目前对于其击穿机理还没有一个统一的理论,对其的研究手段也多限于电压、电流及放电延迟时间等参数的测量。高速相机由于具有较高的时空分辨能力,可通过得到的放电图像观察阴极斑的发光情况,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对于研究短脉冲的真空弧放电特性有重要的帮助。本文设计了短间距触发型真空弧放电装置,通过高时空分辨能力的高速相机与放电参数测量相结合的手段对其放电特性进行了研究,讨论了阴极斑的形成和等离子体的扩散对触发真空弧放电的影响。

1、实验装置

  图1 为触发型放电实验示意图,包括真空腔室、触发型真空弧放电装置、电源系统、高速相机以及电流电压测试系统。触发放电结构包括圆盘状阴极、触发电极以及筒状阳极,阴阳极间距1 mm。触发采用沿面闪络的放电形式,绝缘材料使用氧化铝陶瓷,触发极与阳极选用不锈钢材料,阴极材料选用铜金属。

  实验动态真空度为3×10-3 Pa。电源系统可以输出两路信号1 和2。信号1 输出电压+10 kV,接到触发电极,输出幅值为5 A 的方波电流,脉冲宽度1 μs。信号2 输出电压+2.5 kV,接到阳极,输出200 A 的方波电流,脉冲宽度20 μs。实验过程中阴极接地。采用的四分幅的超高速相机(HighSpeed Framing Camera),包含四个像增强器模块,在Double 曝光模式下,可实现8 分幅影像,其最小曝光时间3 ns、分辨率为1280×1024 像素,相机的光谱响应范围为280~1000 nm。使用脉冲发生器输出TTL 信号控制高速相机与电源系统工作的时序关系(外触发模式)。使用Rogowski 线圈测量主弧电流与触发电流,由示波器记录电压和电流波形。

触发型真空弧放电实验示意图

图1 触发型真空弧放电实验示意图

4、结论

  本文研究了触发型真空弧放电特性,结合放电图像分析了其击穿的机理和放电特性。通过实验发现,触发放电击穿的关键因素在于阴极斑的形成以及等离子体的扩散。初始阴极斑形成以后,不仅为触发回路电流提供导通所需的载流子,而且为初始等离子体向间隙扩散导致了主间隙击穿。主间隙的击穿在于在初始等离子体的扩散,并在阴极表面产生了正离子鞘层,利用鞘层理论计算了初始等离子体作用下阴极表面的电场强度,可产生新的阴极斑。通过分析放电图像发现了主弧放电前期电子电流起到了很重要的作用,而且观察到金属蒸汽扩散导致阳极附近出现较强的等离子体。另外研究了不同背景气压条件下,触发放电延时时间的变化,证实了等离子体扩散对于主间隙击穿的影响。本文工作对于进一步认识和理解触发型真空弧放电特性具有参考价值。

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