蔚山现代vs川崎前锋预测:電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響

真空基礎 王浩 (北京交通大學,電氣工程學院

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  本實驗采用持續時間為微秒級、放電電流為100 A~300 A 的單脈沖電源形式,設計了三種不同錐角的鋁電極。通過朗繆爾探針法測量放電生成的等離子體相關參數,討論了電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。由于爬距相同時沿面放電的路徑具有不確定性,導致探針法無法準確測得等離子體參數。本實驗采用OPT101 光電轉化芯片對真空沿面放電瞬間的電弧發光強度進行測量,并通過雙縫法對放電路徑進行了篩選,從而保證探針法測量數據的可靠性。實驗結果表明,陰極錐角越小,陰極三結合點處電場強度越大,越容易發生沿面放電;陰極三結合點處電場強度越大、陰極三結合點的分布范圍越大,沿面放電得到的主放電電流越大,最終測得的等離子體密度也越大。

  目前有關真空沿面閃絡發生機理的解釋主要有以下兩種假說:①二次電子崩假說(SEEA)②極化松弛理論(ETPR),其中二次電子崩假說得到了大多數研究真空沿面放電的學者的認同。它的基本內容是,由于電極與絕緣體接觸時會存在微小間隙,從而導致陰極三結合點處(電極、絕緣體、真空介質三者的交界點)的局部場強發生畸變,電場強度明顯高于其他位置的電場強度,會在陰極三結合點處產生強場致發射的初始電子。初始電子碰撞絕緣體會產生二次電子,二次電子又撞擊絕緣體表面,致使更多的電子從絕緣體內發射出來,進而發展成二次電子崩。由于絕緣體表面存在吸附氣體,電子碰撞絕緣體會引發氣體的解吸附,致使絕緣體表面的局部氣壓升高。在高場強作用下絕緣體表面氣體發生電離,沿面閃絡形成。

  根據二次電子崩假說,陰極三結合點處微小縫隙引起局部場強增強,導致初始電子的發射。電極結構的改變可以在一定程度上影響陰極三結合點處的電場強度以及陰極三結合點的分布范圍。本實驗通過設計不同錐角的電極結構來改變陰極三結合點處的電場強度,討論電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

1、實驗裝置

2、實驗結果及討論

  本實驗設計了三種不同錐角的鋁電極結構作為陰極,分別是錐角為60°的圓錐形電極,錐角為120°的圓錐形電極,錐角為180°的平板電極,三種電極結構參數如圖6 所示。實驗所用陽極均為直徑10 mm,高度25 mm 的圓柱形平板鋼電極。

三種不同錐角的電極結構

圖6 三種不同錐角的電極結構

  實驗過程中所用的絕緣體是高度為5 mm,直徑為10 mm 的圓柱形聚四氟乙烯。電極布置如圖7 所示,在實驗中絕緣體放置在陰極和陽極之間并與之接觸,同時保證陰極與絕緣體的接觸點(或者接觸面)為柱形絕緣體的圓心(或者接觸面的圓心與柱形絕緣體的圓心重合)。

沿面放電電極布置圖

圖7 沿面放電電極布置圖

  實驗采用持續時間為微秒級、電流為100A~300A的單脈沖電源形式,電源電壓幅值在10 kV~30 kV之間內可調。放電過程中的電流、電壓波形如圖8 所示。

放電電流、電壓波形

圖8 放電電流、電壓波形

2.1、不同錐角的電極結構下真空沿面放電等離子體的生成特性分析

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2.2、電場仿真

  應用Ansoft Maxwell 3DR 對三種錐角的電極結構進行了電場仿真,并觀察了沿直線L1 的電場分布情況(其中L1 為聚四氟圓柱上表面直徑所在直線)。仿真過程中在陰極施加- 12 kV 的電壓激勵,陽極保持接地,仿真結果如圖10 所示。通過仿真結果可知,陰極三結合點處的電場強度明顯大于電極間其他位置的電場強度,且電極錐角越大,陰極三結合點的電場強度越小。由圖11 可知,可以看出在陰極尖端的兩側分布有兩個電場最強點。它們的電場強度值大于陰極尖端處的場強值,此即為放電過程中的陰極三結合點。

三種不同錐角電極的電場分布

圖10 三種不同錐角電極的電場分布

三種不同錐角電極的電場分布

圖11 錐角60°電極下沿L1 的電場分布

2.3、實驗結果的分析

  由二次電子崩假說,陰極三結合點是真空沿面放電過程的起點。陰極三結合點處由于局部場強畸變發生場致發射產生初始電子,初始電子碰撞絕緣體形成二次電子崩進而發生沿面放電。所以,陰極三結合點處電場強度越大的電極更容易產生初始電子,沿面放電也就更容易發生,擊穿電壓也就越低。

  陰極三結合點處會由于強場致發射產生初始電子,初始電子在向陽極運動的過程中撞擊絕緣體表面時產生二次電子,同時會在絕緣體表面留下正離子,這些正離子會使陰極三結合點的電場強度進一步增強,致使更多的電子從陰極三結合點處場致發射出來,繼續碰撞絕緣體表面形成二次電子。由電場仿真結果可知,錐角60°電極的陰極三結合點處電場強度最大,所以正離子對其增強作用就更加明顯,從陰極三結合點處場致發射出的電子就會更多,放電過程中得到的電子流(放電電流)就越大,測得的等離子體密度也就越大。

  對于錐角為120°的電極和錐角為180°的電極,由電場仿真可以看出,錐角120°的電極陰極三結合點處的電場強度略大,但兩者相差并不明顯。陰極三結合點是真空沿面放電的薄弱之處,陰極三結合點的分布范圍越大,意味著放電過程中就有更多的薄弱點存在。由于錐角120°的電極與絕緣體接觸的范圍是一個點,而錐角180°的電極與絕緣體接觸的范圍為圓形面,所以錐角180°電極的陰極三結合點分布范圍更大,從而導致有更多引發場致電子發射的薄弱點產生,使有更多的場致發射電子參與電子倍增過程。所以錐角180°的電極放電時得到的主放電電流較大,測得的等離子體密度也較大。

3、結論

  本實驗設計了錐角不同的三種電極結構,通過在真空實驗平臺上進行一系列對比實驗,討論了電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

  (1) 陰極三結合點是沿面放電的起始點,陰極三結合點處的電場強度明顯大于電極間其他位置的電場強度。在真空沿面放電過程中,當陰極為錐形時,陰極三結合點(場強分布最強點)分布在陰極錐的兩端。

  (2) 錐角越小的電極,擊穿電壓越低,越容易發生沿面閃絡放電。

  (3) 錐角越小的電極,陰極三結合點處的電場強度越大,放電過程中得到的主放電電流較大,最終測得的等離子體密度也較大。

  (4) 真空沿面放電時陰極三結合點處電場強度相差并不明顯時,陰極三結合點的分布范圍越大,主放電電流越大,測得的等離子體密度也越大。