重复频率纳秒脉冲气体击穿研究

论文摘要

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-200kV,脉冲上升沿10ns,半高宽20-30ns,最高重复频率到2kHz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0.5-2cm的板—板间隙和0.5-3cm的尖一板间隙,60、80、100、120kV的施加电压,单次到最高1kHz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—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。 Townsend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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 纳秒脉冲气体放电研究意义
• 1.2 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
• 1.2.2 重频脉冲放电研究进展
• 1.2.3 纳秒脉冲气体放电机理假说
• 1.3 纳秒脉冲气体放电研究现状与存在的问题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 重频纳秒脉冲实验装置
• 2.1 重频纳秒脉冲源及测试
• 2.2 实验腔及放电系统
• 2.3 实验参数设置和实验方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 信号测试和诊断
• 3.1 击穿特征参数的定义和讨论
• 3.2 特征参数信号测量
• 3.2.1 施加电压和放电电流及光信号测量
• 3.2.2 重频耐受时间测量
• 3.3 测量信号的处理和诊断
• 3.3.1 测量信号的降噪处理
• 3.3.2 测量信号的标定与补偿
• 3.4 本章小结
• 第4章 板一板间隙中重频纳秒脉冲击穿特性
• 4.1 重频纳秒脉冲板一板空气间隙击穿分布
• 4.2 常压下空气间隙击穿特性
• 4.3 气压对空气间隙击穿特性的影响
• 4.4 重复频率对空气间隙击穿特性的影响
• 4.5 施加电压幅值对空气间隙击穿特性的影响
• 4.6 重频纳秒脉冲下的电弧特性
• 4.7 板一板间隙中击穿拟合曲线
• 4.8 本章小结
• 第5章 尖一板间隙中重频纳秒脉冲空气击穿特性
• 5.1 常压下尖一板间隙击穿特性
• 5.2 施加电压及气压对尖一板间隙击穿特性的影响
• 5.3 重复频率对尖一板间隙击穿特性的影响
• 5.4 重频纳秒脉冲下极性效应分析
• 5.4.1 尖一板间隙击穿的极性效应
• 5.4.2 重频击穿的极性效应分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 重频纳秒脉冲气体击穿机理初探
• 6.1 经典气体放电机理在纳秒脉冲击穿中的适用性
• 6.1.1 Townsend与流注机理
• 6.1.2 流注判据的有效性探讨
• 6.2 纳秒脉冲气体击穿机理分析
• 6.2.1 纳秒脉冲下快电子的产生
• 6.2.2 纳秒脉冲下快电子逃逸过程
• 6.2.3 纳秒脉冲下快电子逃逸运动的计算
• 6.3 重频纳秒脉冲气体击穿发展过程初探
• 6.3.1 重频纳秒脉冲击穿时延特征
• 6.3.2 重频纳秒脉冲击穿的记忆效应
• 6.3.3 重频纳秒脉冲击穿发展过程
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文研究工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间研究成果
• 致谢
• 图表索引
• 论文答辩说明
• 关于论文使用授权的说明