（高电压与绝缘技术专业论文）重复频率纳秒脉冲气体击穿研究.pdf

擅要 叠曼皇曼曼曼皇量量量曼量曼曼量量曼量曼曼曼曼曼i i i 摘要 纳秒脉冲、高场强等极端条件下电介质击穿特性的研究越来越受到关注，纳秒脉 冲气体放电研究源于脉冲功率技术迅速发展的需求，目前国内外研究较少涉及。高压 纳秒重复频率脉冲气体击穿特性研究工作推动气体放电研究领域的完善和发展，具有 重要的理论和实际意义。 基于一套使用半导体断路开关，输出最高幅值到2 0 0 k v ，脉冲上升沿1 0 n s ，半高 宽2 0 3 0 n s ，最高重复频率到2 k h z 的脉冲发生器，设计并建立了实验腔系统及相应的 测量平台。确定施加电压、放电电流、场强、击穿时延、重频耐受时间及脉冲击穿个 数等测量参数。以干燥空气及氮气为研究对象，在0 5 2 c m 的板一板间隙和0 5 - 3 c m 的尖一板间隙，6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 k v 的施加电压，单次到最高l k h z 的重复脉冲等条 件下，对气体击穿特性的进行了较全面实验研究。实验结果表明在板一板电极结构的 电场中，重复频率条件下的击穿场强比单次脉冲明显降低，高重复频率时击穿场强趋 向于直流的击穿场强；重复频率纳秒脉冲下尖一板电极结构的极性效应明显弱化；得 到气体密度、时延及击穿场强的变化规律，提出修正经验公式。 t o w n s e n d 机理和经典流注机理在解释纳秒脉冲击穿均存在一定的缺陷，基于高能 快电子的逃逸发展将是一种能解释纳秒脉冲击穿现象的机理。在分析快电子的产生、 逃逸发展、碰撞电离等过程的基础上，对快电子的俘获、逃逸过程进行了仿真计算。 记忆效应从有效初始电子的产生到对流注的影响均进行了定性的分析。研究表明外加 场强越高，逃逸的能量阈值越低，气压与场强都显著影响快电子的逃逸发展过程；记 忆效应导致负离子的脱附及与亚稳态粒子的碰撞过程为击穿提供大量的初始电子，重 复频率纳秒条件下击穿场强更低。根据快电子的逃逸发展理论和记忆效应，建立了基 于逃逸击穿和记忆效应的重复频率纳秒脉冲气体放电模型。 关键词：纳秒脉冲；气体放电；重复频率；逃逸击穿；记忆效应 中曩l 科掌院电工司 究士掌位论文 j ii 置量皇量量曼曼曼皇舅舅曼量曼曼曼曼曼曼曼量量量量曼量量曼曼量曼鼍曼量量量曼曼曼量皇皇曼曼量曼曼曼曼曼曼置曼量量量曼曼皇置置量量量| 量皇皇鲁罾量量量皇詈曼量 r e s e a r c ho nb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i e sb e c o m e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nu n d e rs o m e e x t r e m ec o n d i t i o n s ，i e n a n o s e c o n dp u l s e s ，s t r o n ge l e c t r i cf i e l ds t r e n g t he t c i n v e s t i g a t i o n a b o u tn 觚o s e c o n d - p u l s eb r e a k d o w nc o m e sf r o mt h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p a c tr e p e t i t i v e p u l s e dp o w e rs y s t e m ，a n dt h ep u b l i s h e dd a t aa r er e l a t i v e l ys c a r c e e l e c t r i c a lb r e a k d o w n s t u d i e so f g a sd i e l e c t r i c sd u e t or e p e t i t i v en a n o s e c o n d p u l s e sa r eo fc o n s i d e r a b l ei m p o r t a n c e i nt h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，w h i c hw o u l de n r i c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg a s d i s c h a r g e an a n o s e c o n ds o s b a s e dp u l s eg e n e r a t o r , w h i c hp r o d u c e sa no u t p u tv o l t a g er a n g eo f0t o - 2 0 0k vw i t har i s et i m eo fa b o u t1 0n s ，af u l lw i d t ha th a l fm a x i m u mo f2 0 3 0u s ，a n da r e p e t i t i o n r a t eu pt o2k h z ，w a su s e di nt h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n t h ee x p e r i m e n t a l c h a m b e ra n dr e l e v a n tm e a s u r i n gs y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e da n dt e s t e d ，a n dt h em a i n m e a s u r e dp a r a m e t e r sa b o u tb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea p p l i e dv o l t a g e ，d i s c h a r g ec u r r e n t ， b r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，b r e a k d o w nt i m el a g , r e p e t i t i v e l ys t r e s s i n gt i m e ，a n dt h e n u m b e ro fa p p l i e dp u l s e st ob r e a k d o w n u n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so fa p p l i e dv o l t a g e ( - 6 0 ，8 0 ，1 0 0 ，1 2 0k v ) ，p l a n p l a n eg a pd i s t a n c e s ( 0 5 - 2e m ) a n dp o i n t p l a n eg a pd i s t a n c e s ( 0 5 - 3c r n ) ，a n dr e p e t i t i o n - r a t e s ( s i n g l ep u l s e t o1 k h z ) r e s p e c t i v e l y , r e p e t i t i v e n a n o s e c o n d - p u l s eb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e do nd r y a i ra n dn i t r o g e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r e s e n tt h a tb r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l du n d e r r e p e t i t i v en a n o s e c o n d p u l s e si sm u c hl o w e rt h a nt h a tu n d e rs i n g l ep u l s e ，a n db r e a k d o w n e l e c t r i cf i e l do fh i g h e r r e p e t i t i o nr a t e si sa d j a c e n tt od c b r e a k d o w ne l e c t r i cs t r e n g t h p o l a r i t y d e p e n d e n c ei nr e p e t i t i v en a n o s e c o n d - p u l s eb r e a k d o w ni sn o td i s t i n c ta n dw e a k e n e d n ev a r i a t i o n s i n v o l v e di n g a sd e n s i t y , b r e a k d o w nt i m el a g ，a n db r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ha r e c o n c l u d e d ，a n dt h em o d i f i e de m p i r i c a lf o r m u l ai sp r e s e n t e d i nt h er a n g eo fn a n o s e c o n dp u l s e ，b o t ht o w n s e n dt h e o r ya n dt h et r a d i t i o n a ls t r e a m e r m o d e la r ei nq u e s t i o n ，a n dt h er u n a w a yb r e a k d o w nm o d e li n d u c e db yh i g h e n e r g yf a s t e l e c t r o n si sp r o m i s i n g b a s e do nt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ee l e c t r o ne n e r g ya n de f f e c t i v e r e t a r d i n gf o r c e ，t h ee v o l u t i o no fi n j e c t e de l e c t r o ne n e r g ya saf u n c t i o no fd i s t a n c ea w a y f r o mt h ea v a l a n c h eh e a dw a ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e ra p p l i e d e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hi s ，t h el o w e rt h er u n a w a ye n e r g yt h r e s h o l di sa n dt h em o r ef a s t e l e c t r o n sc a nr u n a w a y , a n dg a sp r e s s u r e sa l s oa f f e c tt h er u n a w a yp r o c e s so ff a s te l e c t r o n s g r e a t l y m e m o r ye f f e c th a sb e e nd e s c r i b e dq u a l i t a t i v e l ya b o u tt h ea p p e a r a n c e o ft h e e f f e c t i v ei n i t i a le l e c t r o n sa n dt h ei n f l u e n c et ot h es t r e a m e rd e v e l o p m e n t r e p e t i t i v e n a n o s e c o n d p u l s eb r e a k d o w ni sc h a r a c t e r i z e db yr u n a w a yb e h a v i o ro ff a s te l e c t r o n sa n d m e m o r y e f f e c to fm e t a s t a b l e sa n dr e s i d u a li o n s k e y w o r d s ：n a n o s e c o n d p u l s e ，g a sd i s c h a r g e ，r e p e t i t i o nr a t e ，r u n a w a yb r e a k d o w n ，m e m o r y e f f e c t 中i 科掌院电工研究垮士掌位论文 图表索引 图1 1 基本的脉冲功率系统示意图l 图l 2 九种气体下p f 与点p 的关系3 图l - 3 三种气体的p d 与放电电压u 卯x 的关系4 图1 4 不同脉冲上升沿下间隙距离与击穿场强关系5 图1 5 击穿时延与脉冲时间间隔关系7 图l _ 6 基于逃逸电子的电子崩发展示意图9 图l - 7 气体放电管中快速电离波发展示意图l o 图2 1 基于s o s 脉冲源的基本构成1 3 图2 - 2s p g 2 0 0 脉冲发生器主电路原理图1 4 图2 - 3 输出电压与负载电阻关系1 5 图2 - 4 输出脉宽与负载电阻关系1 5 图2 - 5 间隙未击穿时电压、电流波形包络线示意图1 5 图2 6 单次脉冲下击穿电压、电流示意图1 5 图2 7 实验腔示意图1 6 图2 - 8 板一板电极结构的静电场分布1 7 图2 - 9 尖一板电极结构的静电场分布1 7 图2 1 0 实验装置及测试原理示意图1 8 图2 - l l 安装在s p g 2 0 0 中的实验腔实物图1 8 图3 1 两种典型的施加电压及击穿电流波形2 2 图3 - 2 方波脉冲电压下击穿时延示意图2 2 图3 3 同轴电阻分流器2 4 图3 4 间隙击穿时电压、电流波形包络线示意图2 5 图3 5 电压、电流波形及耐受时问示意图2 5 图3 - 6 间隙上电压仿真波形2 6 图3 - 7 电压、电流和光强的波形2 6 图3 8 重频耐受时间测量示意图2 7 图3 - 9 测量间实物图2 8 图3 1 0 电压、电流波形及耐受时间示意图2 8 图3 1 lb i o r 2 4 母小波分解和重构函数波形3 0 图3 1 2 小波降噪前后的电压电流波形比较3 0 图3 1 3 电容分压器分压比标定波形3 l 图3 1 4 电容分压器标定结果3l 图3 1 5 方波响应测量示意图。3 3 图3 1 6 方波响应波形3 3 i o o 田曩索引 图3 1 7w i e n e r 反卷积补偿前后电流波形比较3 4 图4 - l 不同气压下击穿概率分布3 6 图4 2 一个大气压下击穿概率分布3 6 图4 3 不同电压波形下u ( p d ) 曲线规律3 7 图4 4 重频脉冲下场强与击穿时延关系3 8 图4 - 5 重频脉冲下场强与耐受时间关系3 9 图4 石气压与击穿时延、重频耐受时间及脉冲击穿个数关系曲线4 l 图4 78 0 k v 下重复频率与击穿时延、重频耐受时间和脉冲击穿个数关系。4 2 图4 81 0 0 k v 下重复频率与击穿时延、重频耐受时间和脉冲击穿个数关系4 3 图4 9 氮气中1 0 0 k v 下重复频率与击穿时延、重频酎受时间及脉冲击穿个数关系4 4 图4 1 0 重频耐受时间与重复频率关系4 5 图4 11 击穿所需脉冲个数与重复频率关系4 5 图4 - 1 2 施加电压与击穿时延、重频耐受时间及脉冲击穿个数关系4 7 图4 - 1 3 不同重复频率下昱p 与p f 关系曲线4 7 图4 1 4e p 与尸f 关系及与流注曲线比较4 8 图4 - 1 5 电流和光信号比较一4 8 图4 - 1 6 重复频率与光信号幅值关系4 9 图4 - 1 7 干燥空气5 m m 间隙中e p 与p f 关系曲线。5 0 图4 - 1 85 m m 氮气间隙中e 尸与尸f 关系曲线5 0 图4 1 9e p 与p f 关系曲线5 l 图5 1 两种极性下平均击穿场强与击穿时延关系5 3 图5 - 2 两种极性下平均场强与重频耐受时间关系5 4 图5 3 两种极性下平均击穿场强与击穿脉冲个数关系5 5 图5 _ 4 不同气压下电压与击穿时延、重频耐受时间及击穿脉冲个数的关系5 7 图5 5 重复频率与击穿时延关系5 7 图5 - 6 图重复频率耐受时间与频率关系5 8 图5 7 重复频率与施加脉冲个数的关系5 8 图5 8 尖板电极中电荷分布示意图6 0 图5 - 9 尖一板间隙击穿中击穿场强与时延拟合曲线对比6 l 图5 1 0 尖一板间隙击穿中击穿场强与重频耐受时间拟合曲线对比6 l 图5 1l 尖一板间隙击穿中击穿场强与脉冲个数拟合曲线对比6 2 图5 1 2 尖板间隙击穿中击穿时延与重复频率拟合曲线对比6 2 图5 1 3 尖一板间隙击穿中重频耐受时间与重复频率拟合曲线对比一6 3 图6 1 一次电子崩的发展示意图6 5 图6 - 2 正负流注发展示意图6 6 图6 - 3 流注判据与纳秒脉冲下实验结果的比较6 7 图6 4 有效电离系数口玎与c 关系6 8 1 0 l 中田科掌院电3 ，开冤两n 士掌位强? 文 图6 5 氮气中口尸与e p 关系曲线6 9 图6 - 6 各种放电机理在不同p d 下的适用范围6 9 图6 7 电子平均能量与e p 关系7 0 图6 - 8 电子崩电场与快电子逃逸区示意图7 1 图6 - 9 电子逃逸阻力与电子能量关系7 2 图6 - 1 0 氮气中电子能量损失与电子能量关系7 3 图6 - 1 l 电子能量与有效阻力的关系7 3 图6 - 1 2 有效阻力与电子能量示意图7 4 图6 一1 3 快电子逃逸及受力示意图7 4 图6 - 1 7 电子崩临界长度及时间与场强关系 图6 - 1 8 重复频率与击穿时延关系。8 3 图6 - 1 9 重频脉冲放电示意过程8 5 表l 1 三种气本的七一3 表2 - 1s p g 2 0 0 主要技术指标 表2 - 2s p g 2 不同重复频率允许运行时间1 4 表2 3 实验基本内容1 9 表2 4 不同重复频率下实验运行时间1 9 表4 16 0 k v 不同气压及间隙条件下击穿重复频率分布3 5 表4 - 28 0 k v 不同气压及间隙条件下击穿重复频率分布。3 5 表4 - 3l o o k v 不同气压及间隙条件下击穿重复频率分布3 5 表4 - 4 平均击穿场强e 的实验结果3 8 表6 1 氮气中产生离子及亚稳态粒子的反应8 l 表6 - 2 氧气中产生离子及亚稳态粒子的反应8 l 表6 - 3 氮气中常见受激粒子的寿命8 2 表6 4 氧气中常见受激粒子的寿命8 2 1 0 2 论文答辩说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学院电工 研究所或其他研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：垦垡；盎日期：婴! ：垒：12 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、使用学位论文的规定， 即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，电 工研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。( 保密的论文在解码后也遵循此规定) 日期：型：垒：! 兰一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 纳秒脉冲气体放电研究意义 从1 8 8 9 年p a s c h e n 通过实验得到p a s c h e n 曲线规律开始，到1 9 0 3 年t o w n s e n d 提 出气体击穿的碰撞电离理论，及后来r a e t h e r 及m e e k 等提出的经典流注放电理论，气 体放电作为- - f - j 科学进行研究已有一百多年的历史，相关理论奠定了气体放电的研究 基础。气体放电发展过程涉及到空间、时间范围相差很多数量级的物理、化学变化过 程，如果把作用在气体上的电压波形、幅值、脉宽等等也考虑进去，气体放电的复杂 性是不言而喻的。尽管在不同条件下放电不同阶段的现象进行了大量实验及理论分析 探索，但是由于气体放电过程涉及到物质结构的各个层次、多种影响因素，到目前为 止还没有形成一个完整的统一理论来涵盖如此时空跨度内的放电科学研究范围，仍不 能从整体上把握全过程，理论和实验研究仍处于进一步分析和深入的阶段。 气体、液体和固体电介质在直流、工频交流和雷电波冲击脉冲等常规条件下击穿 特性已经进行了相当多的研究 1 - 3 1 0 近年来，非常规条件下电介质材料性能及高电压 绝缘技术，不同形式和条件的气体放电规律等引起了国内外研究关注，尤其是窄脉冲 下( 脉冲上升沿和脉宽都在纳秒量级) 的击穿特性是一个研究热点。 低功率积累高功率输出 厂、厂h 卜能源b ：旧存储卜心擎卜卜l l - j ll 一i o - j i o o 充f 歹乒泳谳醪n s 觋鼎了 图1 1 基本的脉冲功率系统示意图 纳秒脉冲下气体放电作为一项重要的应用基础研究工作，其发展源于脉冲功率技 术的需求。脉冲功率技术是2 0 世纪3 0 年代产生，6 0 年代后迅速发展，逐步形成由电 物理技术、高电压技术及应用物理等学科交叉融合的研究领域，已成为“当代高科技 的主要基础之一”，在国防军事、科学实验、工农业应用及医学等领域起着非常重要的 作用，是当前比较活跃的前沿科学技术之一 4 - 8 1 。脉冲功率技术将低功率的能量在相 对较长的时间范围内积累后在很短的时间内迅速释放，基本的脉冲功率系统如图1 - 1 所示。同其他电工设备一样，在脉冲功率技术设备中最基本的电介质仍然是气体，研 究气体介质在窄脉冲下的放电特性至少有两方面的考虑。其一是绝缘考虑，电绝缘对 脉冲功率系统的安全及运行性能至关重要。比起在直流、工频交流和雷电波、操作波 等冲击电压下的击穿特性研究，纳秒脉冲气体击穿特性，尚研究不多 9 - 1 0 1 。其二是实 际应用考虑，如气体开关以其响应快、损耗小、传导电流大、低抖动、寿命长等优越 特性在大型功率脉冲功率装置中的地位还无可替代。如美国s a n d i a 等国家实验室、德 州技术大学以及国内的“闪光i 号”、“闪光i i ”等大型脉冲功率装置中都使用了大量 中国科掌l 昵电工研，巴所1 士掌伍，p 叉 的气体开关5 6 1 。此外在材料表面改性、环保的废水废气处理等应用领域i 1 1 ) , 窄脉冲 下的气体放电应用仍是重要的发展方向。电介质材料在快脉冲高压下击穿特性的研究 水平，必定直接影响着脉冲源乃至高功率脉冲技术的发展。 随着脉冲功率技术向高能量、高平均功率、高重复率、长寿命等方向发展，尤其 是重复纳秒脉冲放电得到了广泛的应用u 2 - 1 卯。如高功率微波技术、超宽频带辐射技术、 高功率激光技术、高功率脉冲电源技术等，这些领域均以重复频率纳秒脉冲放电技术 为基础的，在气体中的应用尤为重要。重复频率( 重频) 脉冲功率技术当前一个重要 的发展方向是紧凑型脉冲源的研究。 因此，研究重频纳秒脉冲气体放电是一项重要的基础工作，促进高功率脉冲技术 的发展，推动气体放电研究领域的完善和发展，具有重要的理论和实际意义。 1 2 纳秒脉冲气体放电研究进展 气体放电的研究是沿着实验和理论研究的两条线来开展的，从2 0 世纪4 0 年代末 开始，纳秒脉冲下的气体击穿特性、机理探讨等方面均有一定的研究成果。本节从实 验及相关机理研究方面来阐述纳秒脉冲气体放电研究进展。 1 2 1 单次纳秒脉冲气体放电研究进展 纳秒脉冲气体放电实验方面的研究单次脉冲下的结果居多，高压脉冲源以m a r x 发生器加脉冲形成线输出纳秒级脉冲高压为主。主要关注击穿场强、压强、击穿时延 ( 或形成时延) ，气体密度，间隙距离等参数间的关系，气体介质主要有空气、s f 6 ， 氮气、氢气、惰性气体等。击穿结果不尽相同，且各自关注的侧重点也有所不同。 r c f l e t c h c r 于1 9 4 9 年最早报道纳秒脉冲下气体击穿实验结果n 硼，通过脉冲形成 线产生幅值2 0 k v 的脉冲电压加在均匀场的平板电极上，由紫外线的照射消除统计时 延。在场强较高时，形成时延只与场强有关系，与间隙距离( 或施加电压) 无关；而 在相对低的场强下，击穿时延与间隙距离有关。在相同场强时，间隙越小，形成时延 越小，用单一电子崩主导放电的机理向多电子崩机理的转变来解释，其击穿时延发生 变化的临界电场等于使主电子崩走完间隙距离同时达到临界电子崩的场强，理论计算 与实验结果很好的吻合，其实验结果符合经典流注机理。在f l e t c h e r 的实验基础上， 原苏联n e s t e r i k h i n 等在获得更陡脉冲前沿( o 2 n s ) ，气压( 1 6 0 - - 1 1 0 0m m h g ) 的条 件下，平板电极和尖一板电极下的实验结果1 1 7 l 。均匀电场下，阴极被照射时的击穿时 延分散性明显小于阴极未被照射的；间隙越小，击穿时延的分散性也越小；在拥有足 够的初始电子( 1 0 3 - 1 0 4 ) 时，击穿时延基本等于电子崩发展到临界值的时间，指出 了经典流注理论在解释击穿时延的缺陷。 rf e l s e n t h a l 和j m p r o u d 在与f l e t c h e r 类似的条件下，得到了9 种不同气体在纳 秒脉冲下的击穿实验结果t 1 8 l , 采用平板电极，脉冲幅值( 4 3 0k v ) ，p ( 1 - 7 6 0m m h g ) ， d ( o 0 5 6c m ) 时，放电形成时延( 0 5 3 0n s ) ，得到了九种气体介质( 空气、n 2 、0 2 、 心、h e 、s f 6 ，三种氟里昂) 在纳秒脉冲下p t - _ f ( e p ) 的关系曲线，如图1 2 所示。 一种改进的脉冲微波气体击穿理论( p u l s e d - m i c r o w a v eb r e a k d o w nt h e o r y ) 被用来解释 2 击穿机理，并推导r = ，( 卯) 理论关系式( 1 - 1 ) ，也证实理论与实验结果较一致。 由于在大气压条件下，口 卢，形成时延等于一次电子崩发展到临界的时间，因此该 微波理论在某种程度上仍是支持传统流注机理1 1 9 1 。 n 。硒赫( 1 - 1 ) ， 其中，川压；z 一形成时延；加。击穿的电子密度与起始密度之比；f e p j 一 漂移速率；口一汤逊电离系数：卢一附着系数。 图1 - 2 九种气体下r 与e p 的关系m 1 脉冲功率技术的先驱之一j c m a r t i n 等进行 了大量的电介质绝缘实验，总结出击穿场强与时 间、极性等都有关系，其经验公式啪2 是： e ( df ) 1 7 6 - 七p 8 ( 1 2 ) ， 其中e 一平均击穿场强( k v l c m ) ，d 一间隙距离 ( 锄) ，t 一放电时间( 场强大于0 8 9 9 倍平均击穿 场强的时间) 。 表1 1 三种气体的缸t t 加1 空气 f r e o ns f k +2 23 6 4 4 l 【_ 2 2 6 07 2 i t 0 60 40 4 g am e s y a t s 等在相关实验研究的基础上，进一步总结了纳秒脉冲下由少量和大 量( 1 0 4 ) 初始电子引燃的气体放电特征，其中少量电子引燃的放电形成时延要大于 大量初始电子引燃的放电形成时延，指出t o w n s e n d 机理和流注机理的在解释放电过 程中的缺陷，并用基于逃逸电子的线性电子崩链理论来解释放电机理【9 l o ，翻。 e e k u n h a r d t 等进行了大量实验研究，得到了纳秒脉冲下击穿时延的特征，对纳 秒脉冲下均匀场放电机理进行了细致的阐述，提出了一种适合于高气压、高过电压的 放电模型一逃逸电子模型，并基于气体放电动力学在放电过程中的作用，对纳秒脉冲 下电子崩的发展、放电过程进行了理论分析 2 3 6 1 。随后w w b y s z e w s k i 等人研究了 纳秒气体放电瞬态发展过程，尤其关注放电过程中电流的发展1 2 7 1 0 并根据简化的电子 3 连续方程，考虑空间电荷及二次电离在放电形成阶段的重要性，对放电过程中电流发 展进行了仿真计算，在关系式( 1 - 1 ) 的基础上，也提出一个理论公式： fn ! 翌亟生型一 ( 1 3 ) ， 以一卢) v d 其中：口一汤逊电离系数；卢一附着系数；一电子密度，咐一漂移速率。同公式( 1 1 ) 类似，只是将参数p 换成，但不能直接表现击穿电压、场强、时延，气压，气体密 度等宏观参数间的关系，在工程实际中并不适用。 从图1 2 可以发现各种气体虽然r 与e p 的关系曲线不一致，但其递减的变化趋 势是一致的，将气压参数尸换成气体密度p ，则可以发现曲线比较吻合。t h m a r t i n 总结大量文献资料中空气、氮气、氦气、s f 6 等不同气体在击穿时延0 5 n s 1 0 9 s ，击穿 场强5 1 0 0 k v e m 范围内的实验数据，提出一个实用的经验公式为： p r - 9 7 8 0 仃“ ( 1 4 ) ， 其中，p 气体密度( n e e ) ；畔均击穿场强( k v e m ) ；f 击穿时延( s ) 。th m a r t i n 公式对包括空气、氮气、氦气等气体都适用，可较精确地预测空气和s f 6 混合气体的 击穿时延鹅一姗。 兮 邑 誉 b s 毒 术 昌 b i d ( a t mc m ) 9 者 誉 b ( 空气)( 氮气)( 氧气) 图1 - 3 三种气体的尸d 与放电电压u 的关系3 1 1 v s ：静态击穿电压，t h s 为( 1 0 8 x 3 0 n s ) 脉冲，t h w 为( 1 0 8 x7 4 n s ) 脉冲 前述的研究结果较少关注到纳秒脉冲下u ( p d ) 曲线规律。yk a w a d a 等报道了空气、 氮气、氧气等在纳秒脉冲下( 脉宽半峰值3 0 和7 4 n s ，上升沿约1 0 n s ，电压峰值最大 为1 3 0 k v ) p d 与击穿电压u 5 0 的关系1 3 1 - 3 3 1 ，如图1 3 所示。经典的电子崩一流注机 理被用来解释放电机理，间隙距离为l c m 和2 c m 时的实验结果符合经典流注判据，而 在3 c r n 时结果不符合。同样的p d 值，3 c m 时u 5 噼要高1 0 - 1 5 k v ：u 5 0 与阴极被照射 4 第l 章绪论 的强度无关；高速摄影结果显示形成流注后仍需要好几个纳秒的时间完成击穿，流注 的发展速度是1 0 s c m s 量级。 目 董 黑 襄 伯 o 5 1 01 52 0 2 5 间隙距离e m 图1 - 4 不同脉冲上升沿下间隙距离与击穿场强关系3 4 1 lm v a s i l y a k 研究了大气压下纳秒脉冲高压的脉冲上升沿对空气击穿的影响1 。 结果表明当上升沿下降到0 5 2 5 n s 时，放电发展速度可以增加到l o - 2 0 c m n s ，而一般 流注发展速度是x o s c m s 。脉冲的上升沿越窄，间隙击穿的平均场强越小，如图1 4 所 示。在0 5 2 5 n s 时，几个c m 间距的平均击穿场强下降到只有1 5 2 0 k v c m 。放电发展 速度的加快、击穿场强的下降，均与施加脉冲时产生的高能量电子束有关，即与快电 子的逃逸有关。这些高能量电子给击穿提供足够的初始电子，给流注的发展提供了预 电离的通道，从而导致放电发展速度比传统的流注放电发展速度高一个数量级以上。 同时纳秒脉冲击穿的电弧特性研究也显示放电通道单位长度上所需的能量约 1 0 m j m m ，通道电阻仅部分范围内满足r o m p e w e i z e l 公式1 3 5 1 。文献【3 6 】进行了低于一 个大气压下亚纳秒脉冲的实验结果，但主要是在电压小于1 5 k v 时尖一板间隙下极不 均匀电场时的实验，固定间隙距离1 r a m 得到极性效应下气压对击穿时延的关系。气压 越低，击穿时延越长，尖为负时的击穿时延比尖为正时的大3 0 左右，电子的场致发 射( e l e c t r o nf i e l de m i s s i o n ) 被用来解释击穿机理。 j m a n k o w s k i 等对在纳秒、亚纳秒级脉冲作用下气体( 空气、氮气、氢气、氦气、 s f 6 ) 的击穿特性进行了实验研究妇7 3 舳。脉冲电压幅值4 0 4 0 0 k v ，气压最高达l l m p a ， d1 - 5 m m ，击穿时延在几个纳秒以内，实验范围内u ( p d ) 曲线符合p a s c h e n 曲线规律， 击穿电压比直流击穿值高得多。m a n k o w s k i 等发现在达到m v c m 的击穿场强，击穿时 延在几个纳秒到亚纳秒范围内的实验结果与t h m a r t i n 公式不吻合，修正的经验公式 日1 3 8 3 疋： p z - = 0 9 盯一 5 ， 5 甲峄掌院电工研冗历1 士掌位论叉 其中，p 一气体密度( g e e ) ；e 一平均击穿场强( k v c m ) ；z 击穿时延( s ) 。该公 式对于时延小于几个纳秒的击穿数据较吻合，气体包括空气、氮气、s f 6 以及氦气， 但氢气的实验结果不符合该公式。t h m a r t i n 和j m a n k o w s k i 的经验公式( 1 - 4 、5 ) 都是很实用的，前者在较大范围内适用，后者则在击穿时延几个纳秒到亚纳秒范围内 较适用。在j m a n k o w s k i 的实验范围内e p 值要比根据t h m a r t i n 经验公式预测得 出的数值高一些，即要求击穿时延小( 如 2 0 0 m m h g ) ，电离披波头的大量高能量电子将逃逸出电子崩，将导致波前沿气体被 预电离；随着电离披的发展，间隙逐步形成等离子体通道。目前基于快速电离波的气 体放电研究多数是在低于常压下的放电管中完成，且问脓距离一般是几十个c m ，比较 适合长间隙下的放电机理分析。在c m 、m m 级小间隙下是否形成电离波的实验验证仍 比较困难。 3 金属屏蔽层 4气体放电管 - - - - 电离波发展方向 i i 高压电极；2 低压电极 目电离波留下的高电导率通道目电离波前沿 图1 - 7 气体放电管中快速电离波发展示意图m 1 b a b i c h 也基于纳秒脉冲过电压下气体放电发展的研究，提出了一种新的电离波和 极化自加速( p o l a r i z a t i o ns e l f - a c c e l e r a t i o n ) 的机理1 9 3 1 0 放电发展过程中，主电子崩头 部电场增强的区域，在外电场作用下，部分高能量电子获得足够连续倍增的能量遣逸 出电子崩。由于外电场波和被加速粒子的同步运动导致将可能导致新的电离波产生。 这种是一种谐振式的极化自加速机理的结果是可以实现的，该模型实际类似高功率微 波的产生方法。 五、气体开关模型 | hm a r t i n 在研究气体触发开关放电过程时根据测量得到放电电流信号提出一 种更宏观描述的模型1 2 9 l q 他认为气体击穿分为3 个阶段：( 1 ) 快放电期。施加的脉冲 在极短时间内接通间隙给间隙留下电离通道，该阶段时间占击穿时延的s 一l o 。 美国圣地亚国家实验室等机构的实测中发现了这种快放电的存在，在6 c m 间隙上的发 展速度是l c r r d n 5 ；( 2 ) 加热期。快放电期留下的离子化通道内发生能量交换过程，气 体温度升高，该阶段时间占击穿时延的7 0 一8 0 ；( 3 ) 电阻期。经过多次电子碰撞 后，温度继续上升，气体间隙的电阻急剧下降，两端电压下降到极限，间隙被击穿， 该阶段时间占击穿时延