觸發(fā)型真空弧放電特性研究
基于沿面放電設(shè)計(jì)了短間距的觸發(fā)型真空弧放電裝置，利用高速相機(jī)研究了觸發(fā)真空弧放電特性，獲得了不同放電時(shí)刻的放電圖像。通過(guò)分析放電圖像，發(fā)現(xiàn)主弧放電開(kāi)始階段，主弧電流主要為電子電流，而且在陽(yáng)極附近觀察到較強(qiáng)的離子電流。研究發(fā)現(xiàn)陰極斑的形成和等離子體的擴(kuò)散是主間隙擊穿的關(guān)鍵因素。初始陰極斑不僅為發(fā)回路提供載流子，同時(shí)影響著主間隙的擊穿。文章討論了陰極表面離子鞘層對(duì)表面電場(chǎng)的影響，陰極表面場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)107 V/m。同時(shí)本文討論了背景氣壓對(duì)電極間隙放電延遲時(shí)間的影響。
真空弧放電能產(chǎn)生高電流的離子束，尤其用于產(chǎn)生金屬離子束，被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，比如材料表面改性、加速器離子注入，等離子體推進(jìn)器以及核物理研究與應(yīng)用等等方面。觸發(fā)真空間隙結(jié)構(gòu)(Triggered Vacuum Gap，TVG)是一種放電結(jié)構(gòu)，在高壓脈沖功率研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通流能力強(qiáng)，而且其擊穿電壓遠(yuǎn)低于相同電極間距下的真空擊穿，可以在較低的電壓脈沖作用下產(chǎn)生高強(qiáng)度的離子束。Lafferty 和Boxman較早的對(duì)這種放電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，Gilmour 和Lockwood 最早將這種結(jié)構(gòu)用于可重復(fù)的脈沖真空弧等離子體槍，后來(lái)Lawrence Berkerey Laboratory在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了一系列帶觸發(fā)結(jié)構(gòu)的金屬真空弧離子源(Metal Vapor Vacuum Arc，MEVVA)。
目前對(duì)于其擊穿機(jī)理還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的理論，對(duì)其的研究手段也多限于電壓、電流及放電延遲時(shí)間等參數(shù)的測(cè)量。高速相機(jī)由于具有較高的時(shí)空分辨能力，可通過(guò)得到的放電圖像觀察陰極斑的發(fā)光情況，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為對(duì)于研究短脈沖的真空弧放電特性有重要的幫助。本文設(shè)計(jì)了短間距觸發(fā)型真空弧放電裝置，通過(guò)高時(shí)空分辨能力的高速相機(jī)與放電參數(shù)測(cè)量相結(jié)合的手段對(duì)其放電特性進(jìn)行了研究，討論了陰極斑的形成和等離子體的擴(kuò)散對(duì)觸發(fā)真空弧放電的影響。
1、實(shí)驗(yàn)裝置
圖1 為觸發(fā)型放電實(shí)驗(yàn)示意圖，包括真空腔室、觸發(fā)型真空弧放電裝置、電源系統(tǒng)、高速相機(jī)以及電流電壓測(cè)試系統(tǒng)。觸發(fā)放電結(jié)構(gòu)包括圓盤狀陰極、觸發(fā)電極以及筒狀陽(yáng)極，陰陽(yáng)極間距1 mm。觸發(fā)采用沿面閃絡(luò)的放電形式，絕緣材料使用氧化鋁陶瓷，觸發(fā)極與陽(yáng)極選用不銹鋼材料，陰極材料選用銅金屬。
實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)真空度為3×10-3 Pa。電源系統(tǒng)可以輸出兩路信號(hào)1 和2。信號(hào)1 輸出電壓+10 kV，接到觸發(fā)電極，輸出幅值為5 A 的方波電流，脈沖寬度1 μs。信號(hào)2 輸出電壓+2.5 kV，接到陽(yáng)極，輸出200 A 的方波電流，脈沖寬度20 μs。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中陰極接地。采用的四分幅的超高速相機(jī)(HighSpeed Framing Camera)，包含四個(gè)像增強(qiáng)器模塊，在Double 曝光模式下，可實(shí)現(xiàn)8 分幅影像，其最小曝光時(shí)間3 ns、分辨率為1280×1024 像素，相機(jī)的光譜響應(yīng)范圍為280~1000 nm。使用脈沖發(fā)生器輸出TTL 信號(hào)控制高速相機(jī)與電源系統(tǒng)工作的時(shí)序關(guān)系(外觸發(fā)模式)。使用Rogowski 線圈測(cè)量主弧電流與觸發(fā)電流，由示波器記錄電壓和電流波形。
圖1 觸發(fā)型真空弧放電實(shí)驗(yàn)示意圖
4、結(jié)論
本文研究了觸發(fā)型真空弧放電特性，結(jié)合放電圖像分析了其擊穿的機(jī)理和放電特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)放電擊穿的關(guān)鍵因素在于陰極斑的形成以及等離子體的擴(kuò)散。初始陰極斑形成以后，不僅為觸發(fā)回路電流提供導(dǎo)通所需的載流子，而且為初始等離子體向間隙擴(kuò)散導(dǎo)致了主間隙擊穿。主間隙的擊穿在于在初始等離子體的擴(kuò)散，并在陰極表面產(chǎn)生了正離子鞘層，利用鞘層理論計(jì)算了初始等離子體作用下陰極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，可產(chǎn)生新的陰極斑。通過(guò)分析放電圖像發(fā)現(xiàn)了主弧放電前期電子電流起到了很重要的作用，而且觀察到金屬蒸汽擴(kuò)散導(dǎo)致陽(yáng)極附近出現(xiàn)較強(qiáng)的等離子體。另外研究了不同背景氣壓條件下，觸發(fā)放電延時(shí)時(shí)間的變化，證實(shí)了等離子體擴(kuò)散對(duì)于主間隙擊穿的影響。本文工作對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解觸發(fā)型真空弧放電特性具有參考價(jià)值。
