微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述

微纳尺度电气击穿特性和放电规律是当前国内外学者的研究热点。本文回顾了近70年来国内外学者在该领域的主要研究工作和成果,重点从研究手段、放电规律以及物理机制等方面对不同物理尺度介电系统(宏观尺度电极/微米间隙、微米尺度电极/微米亚微米间隙、纳米尺度电极/纳米亚纳米间隙)的放电击穿特性进行了总结,阐述了电极间隙、气压、电极材料和电极形状等因素的影响机制以及不同物理尺度介电系统的放电规律。通过对微纳尺度电气击穿特性和放电规律的概括和分析,发现当前存在的主要问题并指出下一步的研究方向,对丰富和完善微纳尺度放电击穿理论具有重要参考意义。

微间距气体放电的实验研究与分析

为了研究微间距气体放电特性机理,在大气压环境下,采用了精密距离控制仪器进行电极间距为1～100μm的气体放电实验,得出了电极间距在1～100μm范围内的击穿电压,绘制了击穿电压曲线并讨论分析了1～5μm间距下击穿电压背离巴申曲线的原因。运用Fowler-Nordheim理论验证了在电极间距小于5μm时,气体放电过程由场致电子发射主导,并通过分析1～5μm间距内场强,进一步说明场致发射在此起主导作用。电极间距在10～15μm范围内时出现火花放电现象,分析认为该间距下的放电为电子崩引发的微间隙火花放电。电极间距在15～100μm范围内时击穿电压随着电极间距的增大而逐渐增大,击穿电压曲线与巴申曲线变化趋势相同,可以用汤逊机理解释。

微间隙气体放电击穿过程分析

为了对微米尺度气体间隙下放电击穿过程进一步研究,在大气压空气环境下进行了电极间距为1μm^100μm的直流击穿实验。绘制了击穿电压曲线与Paschen曲线对比,针对1μm^10μm击穿电压偏离Paschen曲线进行分析。通过推导计算,得出在1μm^10μm时随着外加电压的增加,阴极较高的离子数密度将会产生较高的附加电场,附加电场随着电极间距的增加而减小,从而在微间距下存在较强的离子增强效应;最后,结合离子增强效应二次系数γ'与Townsend二次系数γ的比值,γ'/γ随电极间距d的变化曲线得出,1μm^5μm时,放电过程是由离子增强效应场发射主导发生,且随着间距增大离子增强效应逐渐减弱。在10μm^100μm时,击穿电压的变化基本符合Paschen曲线,其放电过程可以用汤森雪崩理论解释。

不同气压下微间距气体放电特性分析

为了研究不同气压下微间距气体放电的过程,在1-100 kPa的可变气压环境下,在1-100μm的电极间距范围内进行气体放电实验并对实验结果进行分析。在电极间距小于100μm,pd小于80 Pa·cm左右时,随着电极间距的减小,击穿曲线与传统Paschen曲线偏差增大,此时相同pd值对应多个击穿电压。分析各电极间距在不同气压下的击穿场强,发现在5μm以下电极间隙,击穿场强接近108V/m量级,此时的间隙击穿主要由场致发射导致的。估算电极间距在不同气压下,场致有效二次发射系数与Townsend二次发射系数的比值,发现了不同间距范围内存在着不同的击穿机制以及离子增强场效应在数个微米量级的电极间隙的场发射中起着重要作用。

静电除尘器内荷电颗粒放电现象探究

电除尘器是电厂尾气处理的主要设备,粉尘在沉积边界层内的电荷输运过程,如电荷的转移、累积和反电晕现象等,对于电除尘器除尘效率有着显著的影响。本文利用Paschen定律定量分析荷电颗粒的放电条件。计算结果表明,在电除尘系统中通过场致荷电方式获得电荷的粉尘颗粒不足以引起颗粒放电,而颗粒一极板接触后发生电荷转移,导致电荷在颗粒表面局部积累会引起放电现象。