研究電極錐角對真空沿面放電等離子體特性的真空裝置介紹

2013-04-07 王浩北京交通大學(xué)，電氣工程學(xué)院

　　本實(shí)驗通過(guò)設計不同錐角的電極結構來(lái)改變陰極三結合點(diǎn)處的電場(chǎng)強度，討論電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

實(shí)驗裝置

　　圖1 為本實(shí)驗所采用的真空實(shí)驗裝置圖。實(shí)驗裝置主要由真空系統、主放電電路、測量系統等部分組成。實(shí)驗過(guò)程中真空室內的氣壓維持在10^-4 Pa。

真空放電實(shí)驗裝置

圖1 真空放電實(shí)驗裝置

1、真空系統

　　真空系統主要由真空室、油封式機械泵、油擴散泵、復合真空計等構成。真空室內裝有陰極、陽(yáng)極，電極可在豎直平面實(shí)現0°~180°的旋轉。真空設備油封式機械泵型號為2X- 8 型，排氣速率為8 L/s。油擴散泵型號為K- 150 型，排氣速率為800 L/s。復合真空計型號為ZDF- 5277B，該真空計采用3 路測量，一路ZJ- 52T 低真空規管和一路ZJ- 27 高真空規管安裝在一個(gè)測量點(diǎn)作為復合測量，另一路ZJ- 52T 低真空規管單獨測量，有效測量范圍為3.0×10³ Pa~1.0×10^-5 Pa。

2、主放電回路

　　本實(shí)驗放電電路采用倍壓電路的形式，主放電電路如圖2 所示。220 V交流經(jīng)過(guò)整流倍壓電路給電容C2 充電，在某一時(shí)刻給球間隙施加一個(gè)觸發(fā)信號后，球隙開(kāi)關(guān)擊穿，電容C2 左端瞬間接地成為零電位，而由于電容兩端的電壓不能突變，所以在電容右端即出現一個(gè)負高壓，這個(gè)負高壓即加在真空室內的陰極上，引起真空室內的絕緣體表面發(fā)生沿面放電。

真空沿面放電實(shí)驗主放電電路

圖2 真空沿面放電實(shí)驗主放電電路

3、測量系統

3.1 探針?lè )y量

　　如圖3 所示，在放電電極后設置有兩個(gè)探針P1 和P2，P1 距離放電電極的距離為100 mm，P1和P2 相距15 mm。真空沿面放電發(fā)生后，放電產(chǎn)生的等離子體四處擴散，部分等離子體進(jìn)入到測量空間內，在探針P1 和P2 的周?chē)纬傻入x子體鞘層。改變探針電壓Vp1 和Vp2 的值，可以測得不同探針電壓下電子電流值。將實(shí)驗測得的飽和電子電流值與探針電壓繪制成V- I 特性曲線(xiàn)，根據朗繆爾探針?lè )ǖ挠嬎愎角蟮梅烹姰a(chǎn)生等離子體的密度、電子溫度、空間電位等^[⁶^~⁷^]。

探針?lè )y量裝置

　　圖3 探針?lè )y量裝置

3.2 光強測量

　　實(shí)驗采用OPT101 光電轉化芯片對真空沿面放電瞬間的電弧發(fā)光特性進(jìn)行測量。選取0.1 MΩ，CEXT 選取33 pF。

OPT101 芯片的外圍電路

圖4 OPT101 芯片的外圍電路

　　由于圓錐形陰極尖端與絕緣體的圓心接觸，發(fā)生沿面放電時(shí)在各個(gè)方向上的爬距都是相同的，這就導致了實(shí)驗中沿面放電的路徑具有不確定性。當放電路徑為背離探針?lè )较驎r(shí)，探針上得到的電子電流很小，很難應用探針?lè )y到實(shí)驗數據;當放電路徑為朝向探針?lè )较驎r(shí)，探針上得到的電子電流很大，可能會(huì )超過(guò)測量量程致使無(wú)法得到數據。這樣就會(huì )使探針?lè )y得的等離子體參數與真實(shí)結果偏差很大。實(shí)驗中采用“雙縫法”對放電路徑進(jìn)行了篩選，保證了采用朗繆爾探針?lè )y量等離子體參數時(shí)數據的可靠性。

　　“雙縫法”的原理如圖5 所示，在光強測量設備之前放置一個(gè)紙盒，前后正對處各開(kāi)有一個(gè)2 mm寬，5 mm 長(cháng)縫隙，縫隙正對OPT101 的鏡頭。雙縫可以唯一確定一條路徑，使有且僅有該路徑上的光可以透過(guò)雙縫進(jìn)入光強測量設備。選取在該路徑上放電時(shí)探針上得到的電子電流作為測量等離子體參數的數據。

“雙縫法”光強測量原理