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[学位]

多因素对纳秒脉冲伪火花放电电压影响机制研究

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Author:

张佳 (张佳.)

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学位论文库

Abstract:

20世纪50年代末期,德国科学家J. Christiansen发现了伪火花放电现象,这种放电兼有辉光放电的形态以及火花放电大电流、短延时和低抖动的特点,但其放电机理及过程与辉光放电和火花放电不同。伪火花放电在脉冲电子束源方面具有广泛的应用。随着对伪火花放电研究的不断深入,发现脉冲电压驱动的伪火花放电能够产生能量更高和束流更大的电子束。因此,开展纳秒脉冲伪火花放电特性及相关机理的研究对高能电子束的产生、控制和应用具有重要的理论意义和工程价值。
在本研究中设计了纳秒脉冲伪火花放电装置,搭建了基于纳秒重复频率脉冲源、高速分幅相机、光谱仪的纳秒脉冲伪火花放电光电联合诊断系统,实现了对纳秒脉冲伪火花放电特性研究、放电时空演变过程拍摄和放电等离子体光谱诊断。
首先研究不同气压、间隙距离条件下纳秒脉冲单间隙伪火花放电时空演变过程。研究表明:纳秒脉冲单间隙伪火花放电发展过程中,在阳极附近首先形成强发光区域,即空间电荷区域,该区域逐渐向阴极扩展,直至进入阴极小孔内部。空间电荷区域形成的时刻在不同条件下不同:在高气压、长间隙条件下,空间电荷区域形成时刻早于低气压、短间隙距离条件下。通过对纳秒脉冲伪火花放电特性研究和对放电时空演变过程进行光电诊断、分析,将纳秒脉冲单间隙伪火花放电过程可以分为初始电子产生、电子在间隙内碰撞电离和阴极小孔内壁电子发射三个阶段。建立了基于PIC-MCC方法的电子碰撞电离模型和基于爆炸电子发射的阴极电子发射模型。仿真表明,间隙内电子碰撞电离发展过程,包括空间电荷区域的形成延时和扩展速度对放电特性有显著的影响。
系统研究了不同条件下的纳秒脉冲伪火花放电特性,掌握了不同参数对放电特性的影响规律。研究表明:放电电压随着脉冲前沿时间和重复频率的增加而降低。在不同气体环境中,放电电压随气压增加而降低。放电电压在氩气环境中随气压升高而降低的速度大于氮气和空气,气压较低(16.5Pa)时,受气压的影响较弱。随着气压降低,放电电压以幂函数的形式增加,当气压降低到某一阈值时,放电电压与气压无关,此气压阈值与间隙距离有关,p?d约为65Pa?mm。放电电压与间隙距离满足幂函数的关系,随间隙距离减小而增加;当间隙距离减小到某阈值时,放电电压随间隙距离减小急剧降低,主要由电极表面状况决定,几乎不受气压影响。 
本文还研究了阴极空腔结构包括阴极空腔深度、小孔直径等对放电特性的影响规律。研究表明,阴极空腔深度几乎对放电电压没有影响。在不同间隙距离下,小孔直径对放电电压的影响不同,小孔直径和间隙距离共同影响放电电压。间隙距离与小孔直径比值大于4时,小孔内部电场几乎为零,放电转换为平板电极放电;比值在0.67~4范围内时,放电电压随小孔直径增加以幂函数形式减小,衰减系数约为0.41;比值小于0.67时,放电电压几乎不随小孔直径变化而变化。
在掌握不同参数对宏观放电电压影响规律的基础上,基于放电物理模型研究了不同气压、间隙距离以及小孔直径下放电发展过程中空间电荷区域形成延时及扩展到阴极小孔内部的速度。研究表明,空间电荷区域的形成延时随气压、间隙距离和小孔直径的增加而减小,并且空间电荷区域向阴极扩展的速度随着气压和间隙距离的增加而加快。气压、间隙距离均影响了电子在间隙内的碰撞电离次数,从而决定了空间电荷区域的形成和扩展过程,并且气压对他们的影响大于间隙距离和小孔直径。
纳秒脉冲多间隙伪火花放电电压随气压、间隙距离的变化规律与单间隙伪火花放电类似,随着气压、间隙距离的增加,以幂函数的形式衰减。并且,衰减系数随着间隙数的增加而降低。多间隙放电装置中每级平均放电电压随间隙数增加而减小,且在低气压、短间隙条件下的减小速度快于在高气压、长间隙距离条件下。本文还研究了纳秒脉冲多间隙伪火花放电发展过程。研究发现,碰撞电离首先发生在靠近阴极的第一个间隙内,前级间隙电离产生的电子进入后级间隙,促进后级间隙内电离的发生,各级间隙内的电离过程次递发展直至间隙击穿,每个间隙内的电离发展过程与单间隙伪火花放电相似。

Keyword:

放电电压 纳秒脉冲 时空演变过程 伪火花放电

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电气工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 张乔根

Year: 2016

Language: Chinese

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30 Days PV: 5

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