Pt/Ni双层器件中的异常自旋霍尔磁电阻效应

系统研究了Pt/Ni双层体系中的磁电阻效应。在Pt层厚度为1 nm的Pt/Ni双层器件中,随着Ni层厚度的增加,自旋霍尔磁电阻变化率的符号由正变负。由界面控制与Ni单层器件信号的对比分析可知,界面效应并不是导致Pt/Ni体系中的负自旋霍尔磁电阻变化率的主导机制。负磁电阻变化率主要由Ni层中的几何尺寸效应引起,而正磁电阻变化率则主要由界面自旋轨道耦合效应引起,这2种效应之间的竞争是自旋霍尔磁电阻符号变化的根本原因。深入探讨了双层膜结构中负自旋霍尔磁电阻变化率的起源与演化,以加强对类似结构中磁电阻现象的理解,同时为新型自旋器件的开发和应用拓宽了视野。

小型带电粒子发射枪的研发

本文介绍了电子和氩离子两种不同电荷的小型发射枪,根据电子枪的用途,以电荷中和低能量电子枪、脉冲式电子枪和高能量电子枪为例,详细介绍了发射枪的构造、工作原理和粒子轨迹。根据氩离子的产生方式,介绍了冷阴极离子枪、热阴极离子枪和等离子体源。掌握小型带电粒子发射枪的原理和构造,可以针对基础科研、半导体产业、生命科学和国防航天领域的具体应用进行产品开发。

触头系统结构对真空灭弧室温度场影响仿真

针对真空灭弧室大电流承载能力提升问题,研究真空灭弧室触头系统的结构设计参数对降低其整体的温升及提高通流能力具有重要意义。随着真空灭弧室向着高电压、大电流发展,其触头结构参数的合理设计决定了真空灭弧室的温度分布情况,因此为研究触头结构对真空灭弧室温度场的影响情况,文章采用有限元法对真空灭弧室的温度场进行磁热双向耦合仿真分析,得到了导电杆直径、触头直径、触头片厚度、杯座厚度以及触头片开槽长度对温度场的影响。结果表明:当导杆直径、触头直径、杯厚分别增大时,最高温度先急剧下降后下降趋势趋于平缓;触头片开槽长度的增加虽会使最高温度升高,但相比其他结构而言,开槽长度对温度场的影响较小;当触头片厚度增大时,最高温度随之下降;真空灭弧室最佳结构参数为:导杆直径55 mm、触头直径65 mm、触头杯厚8 mm、开槽长度20 mm、触头片厚度5 mm,此模型最高温度较优化前降低18.3%。

考虑电动斥力的真空断路器刚柔耦合系统机械特性研究

针对真空断路器分闸过程涉及到的灭弧室侧电磁力与操动机构侧机械运动的耦合计算问题,结合Mayr-Cassie混合式电弧模型、灭弧室电磁场模型以及操动机构刚柔耦合动力学模型提出一种断路器分断过程电-磁-机械动态特性耦合计算方法。基于真空断路器分断过程动态特性计算结果,通过显式动力学方法对分闸过程中触头弹簧系统的冲击碰撞现象进行模拟计算,并结合应变寿命理论及Miner累计损伤理论计算触头弹簧结构的工作寿命,在此基础上对触头弹簧结构进行优化改进工作。研究结果表明:在断路器分闸过程中电动力方向并不总是为触头斥开方向,在超程阶段结束之前动触头承受的电动力为斥开方向,在超程结束后动触头承受电动力为闭合方向;在承受分闸冲击时,优化前的触头弹簧结构应力危险范围在弹簧销与导向套的接触界面处,应力数值为273.28 MPa,其疲劳寿命为2027次,优化后的触头弹簧结构疲劳寿命为12030次,满足断路器产品额定机械寿命的要求。

低能量电子枪的仿真与优化

利用计算机模拟软件CST对电子枪结构进行建模,得到电子枪聚焦极不同的结构尺寸参数对电子束电流密度和束斑尺寸的影响结果。仿真结果表明:当聚焦极与控制极的距离Da和聚焦极厚度Db增大时,样品中心处电流密度减小但均匀性好,束斑半径增大;当聚焦极的半径r增大时,样品中心处电流密度增大但均匀性差,束斑半径减小。考虑中和效率、部件之间的放电和实际装配可行性,选取的优化参数分别为D_(a)=5 mm,D_(b)=0.8 mm,r=3 mm。对优化后的结构进行测试,电子束束流值提高约36%,电子束束斑调节范围增大。证明了利用CST仿真进行优化的可行性,同时达到了优化电子枪性能的目的。

高性能电子枪的物理设计

为测量电导率较低材料的二次电子发射系数,设计了一种能量在0~2keV之间可调、束斑直径可调、可偏转、可脉冲的高性能电子枪。根据电子枪的性能指标对其电子发射、电子光学系统和电位关系进行物理设计,通过对控制极施加脉冲电压,实现电子束的脉冲发射。利用CST软件对电子枪建模并进行仿真分析,得到不同聚焦极电压对束斑尺寸的影响。仿真结果表明,在阴极电压为-1000V、控制极为-1005V、第一阳极为-880V时,随着聚焦电压由-400V增加到1000V,束斑直径由0.2mm增加到10mm,两者几乎成正比例关系。通过对比两种偏转组件,得出四极静电偏转器更适合在同一空间内使用,在工作距离为30mm、偏转电压为200V时,偏转灵敏度可达到34mm/kV,对应的偏转角为12.8°。

扫描式氩离子枪的电子光学系统研究

扫描式离子枪是样品表面清洁、表面刻蚀和深度分析的常用部件,加速电压在500V到3kV之间可调,具有效率高、性能可靠等优点。电子光学系统是离子枪的重要组成部分,是决定离子束流品质的重要因素。本文利用计算机模拟软件CST对离子枪整体结构进行建模,研究了离子枪聚焦系统不同结构和电压参数对离子束电流密度和束斑尺寸的影响,同时得到了离子枪偏转系统在不同电压分布下的离子分布情况,通过仿真分析确定了电子光学系统的设计方案,并进行了实验验证。结果表明:工作距离为25mm、氩气工作气压为6×10-3Pa、加速电压为3kV时,氩离子束的束流大小为3μA;束斑大小在7mm到12mm之间可调;当偏转电压为300V时,偏转角度为4.6°。实验与仿真结果基本对应,同时该离子枪的性能指标可获得表面原子精度构造。

一种具有横纵磁场的新型真空灭弧室触头三维磁场仿真

对一种由螺旋槽横磁触头和杯状纵磁触头并联组成的新型真空灭弧室触头结构进行了磁场仿真,该触头内部的横磁触头和环形触头片材料为CuCr50,外部的纵磁触头的杯座材料为不锈钢。建立了三维触头结构模型,采用有限元分析方法对电流处于峰值时和电流过零时动、静触头表面和触头间隙中心处的静态磁场和瞬态磁场进行仿真,瞬态磁场计算过程中考虑到了涡流的影响。结果表明,该结构触头产生的纵向磁场在动、静触头表面及触头间隙中心处分布较均匀且磁通密度满足要求,有效磁通密度区域占触头表面积较大,电流过零后剩余磁场少,磁场滞后时间小,且导体电阻小。

基于图像处理技术的真空开关分闸速度检测

如何精确地检测操动机构的运动参数,并在此基础上研究其运动特性对电弧燃烧过程的影响,是真空开关领域的重要研究课题之一。为此,提出了一种基于Labview虚拟仪器开发平台的速度检测方法,利用高速摄像机采集整个周期内触头的运动图像,采用Labview的图像处理模块对动、静触头边缘进行高精度定位,计算触头在起弧、燃弧及熄弧这3个不同阶段的运动参数,并结合运动参数对电弧燃烧特性影响进行分析。实验结果表明:所提方法可有效检测出真空开关的平均分闸速度、刚分速度及其他运动参数,且该方法具有灵敏度高、瞬时性响应、不丢失参数数据等特点。论文研究可为真开关电弧动态特性研究提供技术参考。

真空开关电弧等离子体几何形态研究

真空断路器逐渐向高压等级发展,工作时电弧等离子体几何形态直接影响其开断能力。本文利用高速摄像机对电弧几何形态进行数字采集,运用图像去噪声、选取合适阈值方法,对采集数据进行形态学操作,得到内部高能等离子体及电弧外部轮廓的时间-面积变化曲线。从引弧、稳定燃弧、熄弧及弧后介质恢复四个角度,对不同阶段的电弧面积变化做出定量分析,并探究电弧熄弧阶段电弧内外面积差变化。实验表明,通过分析不同阶段的等离子体形态变化,能够找到电弧平稳燃弧及弧后介质恢复的关键点,为高压等级真空断路器研发设计及后期电弧形态诊断提供进一步参考。

基于图像序列的真空开关分闸速度检测

真空开关的分闸速度是影响开关电弧形态及其使用性能的重要因素。为满足高精度分析的需求,提出运用数字图像处理技术从真空开关运动序列图像中精确跟踪触头位置,进而计算触头运动速度的检测方法。该文首先利用Solidworks软件建立真空开关触头模型,并以设定速度模拟分闸过程,获得了分闸过程动触头的运动序列图像。运用Harris角点检测算法提取序列图像中触头角点,然后用SSD(sum of square differences)角点匹配算法对相邻序列图像中所检测到的角点进行匹配,并从中筛选精确匹配角点,再以匹配的像素角点为初始值,计算亚像素精度角点,从而实现了动触头位置的亚像素级精度跟踪。计算相邻帧图像动触头的位移,该位移与相邻帧图像时间间隔的比值即为动触头的瞬时速度。结果表明:亚像素角点检测技术可实现动触头位置跟踪及其分闸速度计算,且相对误差≤4.7%,最高精度可达0.34%。该方法能够实现真空开关分闸速度的高精度检测,为后续分析分闸速度与电弧形态的关系奠定了基础。

基于PIV技术真空开关电弧流场实验研究

为了对真空开关电弧燃烧过程及热形态变化规律研究,本文采用粒子成像测速(PIV)技术对短间隙真空开关电弧进行了实验研究,观察分析了电弧流场的信息,有明显的漩涡区。实验结果表明,运用PIV技术能较好地获取真空开关电弧燃烧二维速度场分布;随着电弧电流不断增大,真空间隙中金属蒸气压力不断增大,电弧加速向四周扩散运动,当电弧电流增大到一定值时,在电弧四周产生明显的涡流区域;电弧电流峰值过后,涡流区域不断减小,当电弧电流减小到一定值时,电弧不再向外扩散,而是向弧柱中心做集聚运动。

两种40.5kV真空灭弧室电场和电势分布的对比研究

建立了相同型号,不同结构的两种40.5 k V真空灭弧室的轴对称模型。计算并分析了两种真空灭弧室的主屏蔽罩对换前和对换后的电场分布和电势分布,对比了不同主屏蔽罩结构下的触头表面的有效面积,并分析了主屏蔽罩内表面的电场分布曲线。结果表明:型号相同的两个真空灭弧室内部电场分布及电势分布主要受到主屏蔽罩结构的影响,选择合适的主屏蔽罩结构可有效降低最大电场强度并改电场和电势分布。

触头片结构对新型带铁心的杯状纵磁真空灭弧室磁场影响仿真

真空灭弧室触头的结构设计对其内部电磁场分布具有重要的影响作用。为了研究触头片结构设计对一种新型带铁心的杯状纵磁真空灭弧室内电磁场分布情况的影响,该文采用了Ansoft Maxwell软件对该新型真空灭弧室内电磁场进行仿真分析,得到了触头片的开槽长度、开槽偏转角度、触头片中心工艺孔直径及孔的深度对磁场分布的影响;实现了在电流峰值时和电流过零时的磁感应强度的云图分布。仿真结果表明:触头片开槽长度、偏角和中心工艺孔径对磁场分布影响较大,孔径深度几乎不影响磁场分布;触头片开槽长度和中心工艺孔径的增加均可减少磁感应强度;触头片开槽偏转角度的增加会使电流峰值时及电流过零时磁场强度呈增加趋势,但存在一个最优角度为25°;触头片开槽和中心开工艺孔等操作均能减少电流过零时的剩余磁场强度。

利用优化差分电路制作扫描隧道显微镜针尖

扫描隧道显微镜是一种分辨率极高的表面研究仪器,针尖对其工作过程及图像质量有决定性的影响。本文针对目前针尖腐蚀成功率较低和不稳定的缺点,提出了一种新的电路。该设计改变了反应电流的测量机制,使实际反应电压在实验过程中保持稳定,同时为了得到更加尖锐的针尖,利用差分电路监控反应过程的电流变化,能够在反应结束的瞬间立刻切断电路,避免了过度反应使针尖变钝。最后,通过观察反应电压,阴极圆环位置,差分电路灵敏度以及电解液浓度对针尖质量的影响,给出了合适的反应参数,并且比较了差分电路和传统电流阈值监控法的优缺点。结果表明新电路在稳定性上有所提高,与电流阈值监控法相比,针尖质量更好,另外扫描隧道显微镜测试结果也表明针尖质量完全符合要求。

基于正交实验新型真空灭弧室触头磁场仿真与参数优化设计

通过触头结构设计实现真空电弧有效调控是提高真空开关开断性能的重要措施之一。为提高真空灭弧室触头开断性能,该文采用SolidWorks建立了一种新型带铁心真空灭弧室3D模型,并利用三维有限元法,对触头片的开槽长度、开槽角度、工艺孔直径以及铁心个数四个参数进行单因素及正交仿真实验,选取上述四个因素作为优化对象,将电流峰值时纵向磁感应强度最大、滞后时间最小和导体电阻最低作为优化目标,得到触头参数与磁场特性的回归方程。通过对电流峰值时触头间隙中心平面纵向磁感应强度、电流过零时磁场滞后时间以及导体电阻进行多目标优化分析,得到了最优的磁场特性。结果表明,当开槽长度为25mm、开槽角度为25°、工艺孔直径为15mm、铁心个数为14时,触头的磁场特性最好。

基于图像亚像素真空开关分闸速度的检测

操动机构运动参数是影响真空开关开断性能的重要因素之一,如何高精度检测操动机构运动参数是该领域重要研究课题。本文以操动机构分闸速度为研究对象,据电弧实验触头运动序列图像中电弧边缘与触头边缘重合的特点,分别采用二次多项式插值法、灰度矩法亚像素边缘检测法对动触头精确定位,实现真空电弧亚像素边缘点提取,采用霍夫变换剔除干扰点,而后对有效的电弧边缘点拟合,得到电弧真正的边缘位置,最后用帧间平均速度代替触头运动瞬时速度。结果表明,基于灰度矩的亚像素边缘检测法对动触头定位精度可达0.01~0.35像素,且分闸速度拟合曲线较平滑,拟合误差较小,且其检测精度具有一定的稳定性,可行性好。

一种新型扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪的设计

针对扫描隧道显微镜的针尖腐蚀系统,提出了一种新的电路,改变了反应电流的测量机制,克服了以往腐蚀过程中电压变化的缺点,提高了针尖制作的成功率。在此基础上对比了新旧两种电路的效果,并测量了腐蚀电压,截止电流以及钨丝浸入长度对针尖质量的影响,发现反应参数的改变对针尖特征的影响是多方面的,必须均衡考虑才能提高成功率,最后,作者在合适的参数条件下观察了整个腐蚀过程,并检测了针尖的使用效果。

真空开关触头动态位置检测研究

真空开关电弧形态及其变化规律对真空开关开断性能有着重要影响,而触头动态开距大小是影响电弧形态变化重要因素,如何准确检测触头动态位置从而计算触头动态开距具有重要的意义。真空开关电弧图像灰度分布不均,燃烧的电弧灰度值高、触头灰度值低,并且电弧燃烧形态剧烈变化等因素制约了电弧图像中触头位置的精确检测。本文提出了一种新的真空开关电弧图像触头位置检测算法,该算法将数字图像处理技术运用到真空开关电弧图像分析中,在二值化电弧图像中分别检测电弧的上、下边缘,最后将检测到的上、下边缘进行直线拟合,实现了动、静触头在图像中位置的高精度检测。实验结果表明:本算法能够有效地检测出电弧图像的上、下边缘,并通过计算得到电弧图像中静触头及动触头的位置。

12kV真空灭弧室触头合闸冲击下疲劳寿命研究

真空灭弧室合闸过程中,触头往往会承受较大的合闸冲击,在多次合闸操作后,触头极有可能产生疲劳破坏,从而影响真空灭弧室的工作性能。该文建立VS1型真空断路器操动机构动力学仿真模型,对断路器合闸过程中动触头动态特性进行计算;并利用三维非线性显示动力学分析软件LS-DYNA对杯状纵磁触头合闸冲击碰撞过程进行模拟,得到触头结构在合闸冲击作用下各时刻的应力应变结果;在nCode软件中建立真空灭弧室触头结构疲劳寿命分析流程,对触头结构疲劳寿命危险区域进行预测,并对支撑盘结构进行优化以提高触头结构疲劳寿命。结果表明:在冲击载荷作用下,杯状纵磁触头杯指及触头片开槽处会产生应力集中现象,易发生破坏;三种支撑盘结构中,凸台型支撑盘能使触头结构应力分布更加合理,可有效提高触头疲劳寿命。