预电离间隙击穿特性及其对中储开关击穿稳定性的影响

紫外预电离中储开关是大型强电磁脉冲模拟装置的关键器件,中储开关预电离间隙击穿特性是影响开关性能的一个重要因素。在N_(2)气压为0.1~0.7 MPa的工作环境中,开展了预电离间隙的击穿特性及其对中储开关击穿稳定性影响的实验研究。预电离间隙的击穿特性实验结果表明,随着气压的增加,预电离间隙击穿电压呈现出不同的变化趋势:间隙距离较短时,击穿发生在预电离间隙钨针和铜电极之间的气体介质中,击穿电压呈现出渐进饱和的趋势;间隙距离较长时,低气压下的击穿发生在预电离间隙中,高气压条件下击穿发生在预电离电极的陶瓷套管表面气体介质中,此时击穿电压几乎不随气压发生变化。在电磁脉冲模拟装置中开展了预电离间隙击穿特性对紫外预电离中储开关击穿特性影响的实验,结果表明,当中储开关内部气压很高时,开关击穿分散性大于低气压区域。该结果可能与预电离间隙在高气压区域时击穿发生在陶瓷套管上有关,该现象导致预电离间隙击穿过早,使得预电离间隙击穿时刻与主间隙波形波峰时刻之间的时间差大于主间隙击穿的形成时延,从而增大了主间隙击穿电压的分散性。

预电离间隙在不同气体介质中的正负极性击穿特性

针对自触发预电离开关在不同电压等级下应用不同气体介质的需要,以及在双边驱动电磁脉冲模拟器中加载正负极性脉冲的需求,研究了预电离间隙在N_(2)、N_(2)/SF_(6)混合气和SF_(6)中正负极性下的击穿特性。研究了不同介质中间隙的击穿电压和时延随气压的变化规律,对比了正负极性下的间隙击穿特性。研究结果表明,在本文实验条件下,预电离间隙在N_(2)中的击穿过程相对更为稳定,且N_(2)中击穿电压随气压变化线性度最佳。相比N_(2)和混合气,间隙击穿电压仅在SF_(6)中随气压增大呈现饱和趋势。在一定气压范围内,N_(2)在负极性下的击穿电压略高于正极性,混合气和SF_(6)中负极性下的击穿电压明显高于正极性,间隙的击穿过程具有一定的极性效应。相比混合气和N_(2),间隙在SF_(6)中的正负极性击穿电压绝对差值和击穿时延绝对差值都相对较高,为减小双边自触发预电离开关的同步时延差,应首选N_(2)为预电离间隙的绝缘介质。在工程应用中需考虑极性效应和不同气体介质对预电离间隙击穿特性的影响。

大气压氦气预电离直流辉光放电二维仿真研究

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大,电子、离子密度的分布更加均匀.对于电场而言,随着预电离的增强,阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩,阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀.电场的纵向分量分布逐渐减小,同时电场区域逐渐向壁面收缩.维持电压和放电功率都明显地降低.此外,随预电离的增加,短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区,而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区.仿真结果表明,预电离能够有效增强放电均匀性,并降低放电维持电压和能量消耗.该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.

浅析Al_(2)O_(3)预电离陶瓷管的国产化

激光器用预电离Al_(2)O_(3)陶瓷管具有较长和较细的尺寸特点,生产过程中易出现内部缺陷和加工精度不足等问题,目前严重依赖于进口。本文围绕Al_(2)O_(3)介电管生产的结构设计和介电性能两方面,介绍和归纳总结了陶瓷介电管的典型结构、制备难点以及影响Al_(2)O_(3)材质介电性能的主要因素,以期为Al_(2)O_(3)预电离陶瓷管的国产化提供参考和借鉴。

准分子激光器预电离过程影响分析

准分子激光器由于其短波长、高重频、大能量在国民经济生产中具有重要作用.在准分子激光器应用场景及输出特性中,光束质量及能量稳定性是高端准分子光源的指标,而预电离过程发展得充分与否是准分子激光系统能否输出高光束质量、能量稳定的激光脉冲的关键.本文主要针对ArF准分子激光器的预电离过程,建立了一维及二维仿真计算模型,基于Comsol Multiphysics软件的流体计算方法进行数值仿真分析计算,重点研究了预电离过程中电离波的传播过程以及预电离与主放电之间的关系.研究表明,进行准分子激光器进行系统设计时,要综合考虑电晕棒及主电极的空间结构.合适的预电离结构及预电离电压能够使主放电在自由电子维持期间被触发,可以有效降低放电电压,避免流注及弧光放电,提升输出光束质量及系统能量稳定性.

表面电晕预电离与火花预电离之比较

本文报道了表面电晕预电离与火花预电离的比较结果。针式火花预电离源利用热电弧发出强烈的紫外光 ,其发射光谱范围从可见光连续延伸到紫外。表面电晕预电离源 ,通过介质极化发射电子 ,在预电离电路中产生电晕电流 ,其强度决定了发射光子的数量 ,而发射电子的能量分布确定辐射的光谱分布 ,其发射光谱分布不连续。对两种预电离源的放电电压和电流进行测量 ,得到瞬态信息。计算得到火花预电离源中消耗的能量约是表面电晕预电离源的 4 0 0倍。比较分析可知 。

印刷电路板预电离TEA CO_2激光器的阴极表面预电离研究

弧光放电不利于TEACO2 激光器输出高功率激光 ,通常采用预电离技术来获得主电极间的均匀辉光放电。印刷电路板预电离较其他紫外光预电离方式具有更好的预电离强度和预电离均匀性的结合 ,有利于产生高重复频率和高平均功率的脉冲激光。本文研究了印刷电路板预电离TEACO2 激光器中有、无紫外光体积光电离的两种不同预电离结构形式。主放电均匀性实验表明 ,在无紫外光体积光电离的情况下 ,也可以获得放电均匀性很好的大体积主放电。这说明在印刷电路板预电离中起主导作用的是阴极表面的预电离效应。本研究结果对探讨TEACO2

自耦式紫外预电离开关特性

研究了300 kV脉冲电压作用下自耦式紫外预电离开关的工作原理。为了在脉冲电压下实现开关的自耦合预电离,设计了适当的分压电路及预电离结构。模拟计算表明,分压电路参数合适时,可以实现预电离间隙与开关主间隙的击穿配合。实验结果表明:在脉冲电压作用下,调节电路参数可以有效调节紫外预电离产生时刻;在适当的时刻产生紫外预电离可以有效减小开关击穿抖动;该开关在240 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于3 ns,在36 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于2 ns。

强激光能源系统预电离实验研究

新型能源系统预电离实验研究证实 :采用预电离技术可以减小闪光灯的导通延时 ,使电流脉冲前沿变陡 。

预电离大气压低温等离子体射流及其在表面清洗中的应用

具有高化学活性的大气压放电低温等离子体射流具有潜在的应用价值。为此,介绍了一种利用预电离办法产生Ar/O2等离子体大气压低温射流及其在表面油污清洗中的应用。采用针电极放电等离子体作为预电离源,为射流介质阻挡放电(DBD)提供种子电子,使得射流DBD的击穿与维持电压得以降低,即使在氧气与氩气体积比高达6%时,也可以产生均匀稳定的放电模式。采用光纤温度传感器检测得到放电等离子体气体温度在390～440K,而Boltzmann斜率法计算得到的电子激发温度为4640K,通过示踪元素法计算得到氧原子数密度在1017 cm-3量级。将该射流应用到玻璃表面油污清洗,最大清洗速率可达0.1mm/s。所以预电离技术可以产生具有高化学活性的均匀放电的大气压低温等离子体射流,该射流在表面油污清洗中具有较高效率。

触发预电离一体化脉冲氙灯电源设计

采用高压触发预电离为一体＋脉冲形成网络触发氙灯的技术路线,分别设计了脉冲氙灯电源系统中高压触发、预燃电流维持两个功能单元。根据脉冲氙灯160mm×9mm、极间距70mm的技术指标,成功设计了一台具有手动和电脉冲触发功能的方波脉冲氙灯电源。氙灯充电电压300～900V可调,光脉冲宽度为150μs±20μs,光脉冲上升时间不超过90μs,触发延迟不超过90μs,触发抖动在±2μs范围内。给出了单次触发情况下脉冲氙灯电源输出的实验结果,验证了所采用的设计原理和技术方法的可行性。

紫外预电离放电引发的非链式脉冲DF激光器

采用紫外预电离的横向放电方式和稳定光学谐振腔,使用无毒无腐蚀性的六氟化硫(SF6)和氘气(D2)作为工作物质,研究了工作气体配比、总气压对放电引发非链式脉冲氟化氘(DF)激光器输出能量的影响。实验发现SF6与D2的最佳比例为10:1,最佳总气压为10.5 kPa。使用DF激光谱线分析仪对激光输出谱线进行了测量,得到了17条P支跃迁谱线,激光能量集中在3.876μm附近的几条谱线。利用烧蚀光斑的方法测得输出激光束水平方向、垂直方向的发散角均为1 mrad。在最佳工作条件下,充电电压为39 kV时,激光单脉冲输出能量达到最大值3.58 J,此时激光脉冲宽度为215 ns,峰值功率为16.65 MW,电光转换效率为2.08%。

火花放电预电离对空气中介质阻挡放电的影响

实现大气压下空气中辉光放电的办法之一是降低空气的击穿场强,避免放电以流注的形式发生。为此,利用脉冲电路产生的火花放电为介质阻挡放电提供初始电子,以验证预电离对介质阻挡放电的作用。实验证明:1 火花放电预电离确有"点燃"放电,降低空气击穿场强的作用,在正常大气压下,采用预电离手段可使击穿场强降低25%左右;2 预电离的有效率随气压升高而逐渐减小;3 在有气体流动的条件下,预电离的作用显著增强;4 预电离并不是实现大气压下空气中的辉光放电的唯一条件。本文中的方法可以用于在较低场强下提供初始电子以建立均匀介质阻挡放电,但在目前的实验条件下,这种作用还远未达到获得大气压下辉光放电的程度。

利用光纤诊断紫外预电离开关的导通特性

介绍了应用光纤传感器对紫外预电离脉冲开关的预电离产生时刻进行诊断的方法。相对于传统的电磁测量方法,它更适合复杂电磁环境中的放电起始时刻测量。预电离实验表明,利用光纤传感器可以定性反映紫外预电离间隙的放电特性,得到紫外预电离产生起始时刻;预电离光信号的成分包括从紫外到可见光的宽谱范围,而预电离放电第一个峰值的紫外成分较高。开关的击穿特性实验说明,开关的击穿延时约几十纳秒,开关的击穿抖动由预电离间隙的击穿抖动决定。

脉冲HF激光器预电离设计及效果评估

气体介质稳定体放电是放电激励气体激光器高效输出的基础和前提,预电离是实现高压气体介质稳定体放电的有效技术途径之一。基于放电激励脉冲HF激光器电气结构总体设计要求设计了结构紧凑的紫外光自动预电离装置,并对其在气体介质中预电离产生的初始电子数密度进行了数值模拟。模拟结果表明:在整个放电区域内初始电子数密度均在109/cm^3左右,满足介质体放电要求。通过激光器能量输出实验评估了预电离效果,对SF6和H2混合气体介质,在充电电压较低时,输出能量有数倍的提高;对SF6和C2H6混合气体介质,在充电电压20 kV时激光器输出能量由200 mJ提高至297 mJ,提高了近50%。实验结果表明:该预电离装置对改善激光器能量输出特性有明显效果。

介质阻挡放电中的紫外线预电离

为解决大气体下尤其是空气辉光放电产生等离子体的困难,通过采用脉冲火花放电产生的紫外线对介质 阻挡放电预电离试验研究了紫外线预电离对降低空气击穿场强、“点燃”主放电的作用和气压与主放电频率对预电 离的影响;探讨了与气体流动等条件相结合,用预电离方法实现大气压下空气中辉光放电的可能性。

P70霍尔推力器新型缓冲腔磁路对预电离及放电的影响

为有效利用从P70霍尔推力器放电通道进入缓冲腔的快电子能量,考虑两个磁场特征以提高缓冲腔预电离率。一是提高磁感应强度,二是缓冲腔内从气体分配器到放电通道方向的负梯度。采用FEMM有限元磁场计算软件,在不改变推力器电离和加速通道内优化磁场特征的前提下,设计的新型缓冲腔磁路满足上述磁场特征。放电实验结果表明,在新型缓冲腔磁路下放电电流低频振荡幅值更小。新型磁路有助于延长推力器寿命,有助于电离和加速通道内电离与加速区的分离。

3MV自耦式紫外预电离开关的设计

基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3MV开关的间隙距离，开关主间隙的电场不均匀系数为1．58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50kV／cm，满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1％，理论模拟计算表明，在0．1～0．7MPa范围内，预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压，保证可靠预电离。

预电离对高功率脉冲氙灯辐射特性的影响

为了加深对高功率脉冲氙灯预电离放电的认识,通过电学特性测量、能量辐射效率测试、高速摄影和辐射光谱测量等手段研究分析了预电离放电对脉冲氙灯辐射特性的影响。实验结果表明：与单独主放电工作的脉冲氙灯相比,选取合适的主–预放电延时可以使脉冲氙灯辐射效率提高3.8%-5.1%;当延时较小时,预电离回路出现电流振荡现象,且与氙灯的最大辐射效率相比,此时辐射效率下降幅度〉10%。此外,预电离放电能够改善脉冲氙灯辐射光谱特性,有利于提高辐射光谱与激光工作介质的匹配性,从而提高放大器增益水平。

印刷电路板预电离3.6kW TEACO_2激光器

在TEACO2激光器中采用印刷电路板预电离结构,在单节放电体积为5cm×4cm×90cm的两节串连的激光器中获得了20.4J单脉冲能量输出,电光转换效率达12.8%.激光器重复频率工作时,气体清洗系数大于3,在最高重复频率180Hz下获得了3.6kW平均输出功率.