觸發(fā)型真空弧放電特性研究
基于沿面放電設計了短間距的觸發(fā)型真空弧放電裝置，利用高速相機研究了觸發(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(guān)察到較強的離子電流。研究發(fā)現陰極斑的形成和等離子體的擴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(zhù)主間隙的擊穿。文章討論了陰極表面離子鞘層對表面電場(chǎng)的影響，陰極表面場(chǎng)強可達107 V/m。同時(shí)本文討論了背景氣壓對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用等等方面。觸發(fā)真空間隙結構(Triggered Vacuum Gap，TVG)是一種放電結構，在高壓脈沖功率研究領(lǐng)域應用廣泛，通流能力強，而且其擊穿電壓遠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)生高強度的離子束。Lafferty 和Boxman較早的對這種放電結構進(jìn)行了研究，Gilmour 和Lockwood 最早將這種結構用于可重復的脈沖真空弧等離子體槍?zhuān)髞?lái)Lawrence Berkerey Laboratory在此基礎上又發(fā)展了一系列帶觸發(fā)結構的金屬真空弧離子源(Metal Vapor Vacuum Arc，MEVVA)。
目前對于其擊穿機理還沒(méi)有一個(gè)統一的理論，對其的研究手段也多限于電壓、電流及放電延遲時(shí)間等參數的測量。高速相機由于具有較高的時(shí)空分辨能力，可通過(guò)得到的放電圖像觀(guān)察陰極斑的發(fā)光情況，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為對于研究短脈沖的真空弧放電特性有重要的幫助。本文設計了短間距觸發(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與放電參數測量相結合的手段對其放電特性進(jìn)行了研究，討論了陰極斑的形成和等離子體的擴散對觸發(fā)真空弧放電的影響。
1、實(shí)驗裝置
圖1 為觸發(fā)型放電實(shí)驗示意圖，包括真空腔室、觸發(fā)型真空弧放電裝置、電源系統、高速相機以及電流電壓測試系統。觸發(fā)放電結構包括圓盤(pán)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)驗動(dòng)態(tài)真空度為3×10-3 Pa。電源系統可以輸出兩路信號1 和2。信號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)驗過(guò)程中陰極接地。采用的四分幅的超高速相機(HighSpeed Framing Camera)，包含四個(gè)像增強器模塊，在Double 曝光模式下，可實(shí)現8 分幅影像，其最小曝光時(shí)間3 ns、分辨率為1280×1024 像素，相機的光譜響應范圍為280~1000 nm。使用脈沖發(fā)生器輸出TTL 信號控制高速相機與電源系統工作的時(shí)序關(guān)系(外觸發(fā)模式)。使用Rogowski 線(xiàn)圈測量主弧電流與觸發(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)驗示意圖
4、結論
本文研究了觸發(fā)型真空弧放電特性，結合放電圖像分析了其擊穿的機理和放電特性。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，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散。初始陰極斑形成以后，不僅為觸發(fā)回路電流提供導通所需的載流子，而且為初始等離子體向間隙擴散導致了主間隙擊穿。主間隙的擊穿在于在初始等離子體的擴散，并在陰極表面產(chǎn)生了正離子鞘層，利用鞘層理論計算了初始等離子體作用下陰極表面的電場(chǎng)強度，可產(chǎn)生新的陰極斑。通過(guò)分析放電圖像發(fā)現了主弧放電前期電子電流起到了很重要的作用，而且觀(guān)察到金屬蒸汽擴散導致陽(yáng)極附近出現較強的等離子體。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)了等離子體擴散對于主間隙擊穿的影響。本文工作對于進(jìn)一步認識和理解觸發(fā)型真空弧放電特性具有參考價(jià)值。
