纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流的研究

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1、物 理 学 报Ac t a P h y s S i n V o 1 6 3 ， No 8( 2 0 1 4 ) 0 8 5 2 0 8 纳秒脉冲气体放电中逃逸电子束流的研究冰 章程1 ) 2 ) 马浩 ) 3 ) 邵涛1 ) 2 ) t 谢庆4 ) 杨文晋 ) 2 ) 严萍 ) 2 ) 1 ) ( 中国科学院电工研究所， 北京 1 0 0 1 9 0 ) 2 ) ( 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 1 0 0 1 9 0 ) 3 ) ( 中国科学院大学， 北京 1 0 0 0 4 9 ) 4 ) ( 华北电力大学， 新能源电力系统国家重点实验室， 保定 0 7 1 0 0 3

2、) ( 2 0 1 3年 1 2月 1 3日收到； 2 0 1 4年 1 月 1 6日收到修 改稿 ) 经典 的放 电理论 ( T o wn s e n d和流注理论1不能很好地解释纳秒脉冲放 电中的现象， 近年来基于高能量 电子逃逸击穿的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛 关注有研究发现， 高能逃逸电子是纳秒脉冲气体放 电中的新特征参数 本文研制 了用于测量纳秒脉冲放 电中逃逸电子束流 的收集器， 并对脉宽 3 5 n s 、 上升沿 1 2 1 6 n s 激励的大气压纳秒脉冲气体放电中逃逸 电子束流进行 了测量收集器采用类似法拉第杯的原理， 利用金属极收集纳秒脉冲放 电中的高能 电子， 并

3、转换为 电信号后由示波器采集 为了获得更好 的逃逸 电子束 流波形 对逃逸电子束流收集器进行了优化设计， 提高 了收集器的阻抗匹配特性 基于上述的逃逸 电子束流 收集器， 研究了纳秒脉冲气体放电中逃逸 电子 的特征实验结果表明， 所设计的收集器可以有效地测量到逃 逸电子束流， 改进设计后收集器测得的逃逸 电子束流的时间分辨率和幅值均得到提高 施加 电压约 8 0 k V 时， 大气压空气中的逃逸 电子束流幅值可达 1 6 0 mA， 脉宽小于 1 n s 多个脉冲激励放 电的结果表明逃逸电子束流 收集器具有较好的可靠性， 其瞬态响应与时间分辨率比较稳定 关键词： 气体放 电， 纳秒脉冲， 逃逸

4、电子束流， 收集器 P ACS ： 5 2 8 0 一 S ， 5 1 5 0 + V ， 5 2 8 0 H c ， 5 2 8 0 Mg DOh 1 0 7 4 9 8 a p s 6 3 0 8 5 2 0 8 1 引 言 纳秒脉冲等离子体及其应用是脉冲功率技术 中新兴的发展方 向 纳秒脉冲特有 的窄脉宽条件使 得纳秒脉冲放 电应用具有诸多优势：高功率密度、 高 电场 强度、 超 快上升沿 可 以抑制火花通 道形成 等 1 - 4 ，同时也导致很 多不 同于常规放 电的特性： 不能充分形成流注、 击穿 电压 较高、 放 电出现 多通 道等 2 - 4 1 以上特点导致纳秒脉冲气体放 电机

5、理十 分复杂， 传统理论如汤逊雪崩理论和流注理论等均 不能很好解释快脉冲放电下的异常现象 5 - 9 1 目前 关于纳秒脉冲放电的机理存在多种假说 1 0 - 1 3 这 些理论均认为放 电发展过程 中二次 电子崩的产生 不再依赖空间光 电离， 而是基于 电子崩发展中产生 的高能量电子引导放 电发展过程建立起来 的， 高能 快 电子 的逃逸击 穿和逃逸电子产生的X 射线共 同 主导放 电过程 传统的有关逃逸电子的研究对象为 平衡态等离子体范畴， 且对逃逸机理也 尚未完全认 识 1 4 】 因此， 纳秒脉冲气体放 电产生的非平衡态等 离子体 中的高能逃逸 电子的测量研 究是探索纳秒 脉冲放电机理

6、的重要内容 为 了产生能量更高、 数 目更 多的逃逸电子， 一 般采用 陡上升沿 、 窄脉宽和高幅值的纳秒脉冲源 此外， 由于逃逸电子流的脉 宽非常短， 可达亚纳秒 量级， 为了准确测量， 需要使用高时 间分辨率的示 波器 【 1 5 】 受限于上述两方面， 逃逸电子的研究长期 以来发展较慢 近年来， 随着脉冲功率技术的发展， 国家自然科学基金 ( 批准号： 5 1 2 0 7 1 5 4 ， 5 1 2 2 2 7 0 1 ) 、 国家重点基础研究发展计划 ( 批准号 重 点实验 室开放 基金 ( 批 准号： LAPS 1 4 0 0 9 )资助的课题 t通讯作者E ma i l ：s t

7、ma i l i e e a c c n 2 0 1 4 中国物理学会 Ch i n e s e Ph ys i c a l So c i e t y 2 0 1 4 CB2 3 9 5 0 5 、和新 能源 电力系统国家 t p ： w u l i x b h y a c c 他 物 理 学 报Ac t a P h y s S i n Vo 1 6 3 ， No 8( 2 0 1 4 ) 0 8 5 2 0 8 制造更高性能的电源和更高采样率 的示波器成为 可能， 因此关于逃逸 电子 的测量研究也得 以快速开 展 1 6 1 9 1 关于逃逸 电子束流的测量研 究， 主要关 注束流脉冲的脉宽

8、、 幅值和逃逸电子数 目等几个测 量指标 【 l 6 其中脉 宽时间和 电流幅值是直接反映 逃逸 电子束流的两个物理量， 测量波形与实际波形 的差异大小直接反映出测量装置设计 的优劣 而逃 逸电子数 目则是根据这两个参数计算得出的， 可 以 反映出测量装置的效率可见上述三个因素是逃逸 电子束流测量 中比较重要的物理量， 研究人员也多 将这三个指标作为测量结果的考量 因素Me s y a t s 等 1 7 J 使用上升沿约 1 0 0 p s ， 脉宽为0 1 5 5 n s 的亚 纳秒脉冲发生器， 采用飞行时间法测量大气压空气 中的逃逸 电子束流， 施加 电压超过 3 0 k V， 测得束

9、流的脉宽约5 0 p s ， 上升沿约 3 0 p s ， 幅值可达 1 0 A B a b i c h等 【 1 8 】 利用 自制 的收集器测量 空气 下的逃 逸电子束流， 施加 电压在 3 0 1 1 0 k V 之间， 测得束 流的脉宽约0 8 m s 的波形， 上升沿约 0 4 n s ， 每脉冲 的逃逸 电子数可达 1 0 0 T a r a s e n k o 等 【 1 9 J 采用上升 沿 出 脚 2 0 1 0 0 一1 0 一2 0 3 0 图4 ( 网刊彩色) 典型放电波形及放电图像( a ) 低电压 下的电压电流曲线； ( b )高电压下的电压电流曲线； ( C )

10、典 型放 电图像 ( 正面) 从图4( a ) ，( b )可 以看 出， 当 电压约 3 0 l 【 V时， 间隙没有击穿， 放 电电流幅值较小可 以看 出在第 一个负脉冲 7 r l s 之后还出现 了第二个脉冲， 认为这 是传输线效应所致 若测量系统 内部 的阻抗不完全 匹配，电压波形则出现 反射当 电压约 1 5 0 k V时， 施加 电压的脉宽大约为 4 n s ， 放 电电流可达 2 5 k A 电流波形比电压波形滞后一段时间这是因为 电压 测量和 电流测量回路的传输线长度存在差异：两处 测量装置接入示波器使用 的是 同样长度 的信号 电 缆， 均为 1 m， 但分流器本身多了一段

11、长约 2 0 c m的 电缆根据国家标准， 对于实验 中使用的聚乙烯铜 芯射频 电缆， 信 号传播速度为光速的 6 6 ， 则这一 段 电缆产生的延迟时间约为 1 n s 将这一段时间延 迟扣除后， 可以看出电流脉冲 的产生发生在电压脉 冲的上升沿， 在 电压波形恢复为0时电流波形达到 峰值， 这与实际放电情况相符 图4( a ) ，( b )对应 的放 电图像如 图 4 ( C ) 所示， 图像的曝光时问为 1 S 可 以观察到放 电通道从管 状阴极贯穿到阳极网， 呈现 出发散状， 且未产生贯 穿两极的放电细丝或强烈的电弧 此时放 电表现为 典型的弥散模式 2 5 - 2 7 】 在典型的管

12、板 电极结构下， 随着 电极 间隙的增加， 放 电模 式呈现 出火花放 电、 弥散放 电、 电晕放 电的转变过程本课题组之前研 究了纳秒脉冲放电中， 逃逸 电子发生轫致辐射产生 X射线， 结果证明在上述三种放 电模式 中， 弥散放 电产生的 X射线最强，即在该放 电模式下， 产生 的 逃逸 电子最多 2 s - 3 0 因此， 上述实验条件的设定 有利于产生更多的逃逸 电子， 方便进行逃逸 电子束 流 的测量和研究 根据逃逸 电子 电流波形还可 以进一步计算每 脉冲周期 内释放 的电荷量， 并计算相应的电子数 目 、 计算公式如下 _ 2 o _ ： 。= e J厂0 ， 。 d ， ( 1

13、) 式中 表示逃逸 电子 电流， 丁 b 表示逃逸 电子束流 的脉宽， e 表示一个电子的 电荷量。 对 于图3 f C )的 情形， 通过上述公式可 以计算出 为 9 71 0 8 ， 即 上述实验条件下， 一次放电收集到的逃逸电子的数 量级接近 1 0 0 个这一结果与 B a b i c h等 1 8 的测量 数量 级相 同， 但低于 T a r a s e n k o 等 _ 1 9 J 1 0 0 量 级 的 测量结果造成数 目差异的原因有：束流 的强度与 传播过程中的气体状态关系很大， 气压的波动和气 体成分 的变化对 电子束流损耗的影响很大； 逃逸 电 子测量装置包括收集器、 同

14、轴连接器、 电缆、 匹配等 元件， 其阻抗 匹配对于测量波形也有很大影响因 此， 即使使用相似 的测量条件和装置， 测量结果也 可 能出现数量级 的变化 2 4 此外， 算得 的电子数 目差异与实验条件不同有关， 如文献 l 9 中气隙从 1 5 mm变化， 而本实验 中气隙长度为 1 2 mm，因 此测量幅值存在一个数量级的差别 f 文献 f 1 9 1 中达 到了几 A1 采用多个 电压脉冲激励， 对逃逸 电子束流的重 复性进 行 了实验研究图 5 给出 1 0个脉冲激励下 的 电压和逃逸 电子束流波 形实验 条件 为：采用 c o l l e c t o r 一 2 测量， 频率为0 1

15、 H z ， 运行时间为 1 0 0 S ， 08 52 08 4 物 理 学 报Ac t a P h y s S i n Vo 1 6 3 ， No 8( 2 0 1 4 ) 0 8 5 2 0 8 放 电间隙为 1 5 mm图 5 ( a )表示顺序模式下的电 压和逃逸电子波形 ( 为 了方便显示波形， 去掉 了每 次放 电之间的间隔时间) ， 图5( b )是图5( a ) 中数据 的重叠显示， 表示包络线模式下的逃逸 电子波 形 可 以看到在连续 1 0 次放 电中， 每次放 电都可 以测 量到逃逸 电子束流， 这证 明重复试验 的条件下，电 源、 电极结构及测量装置都有较好的稳定性值得 注意的是， 虽然 1 0 次放 电电压基本相 同， 但产 生的 逃逸电子束流的幅值存在一些波动， 这种现象在高 压放电试验 中比较常见， 特别是测量电流幅值较小 的逃逸 电子束流， 无法保证每一个脉冲激励 出幅值 相等的逃逸 电子束流除了上述差异， 可 以看出每 次测量的逃逸 电子束流的上升沿一致， 脉宽也基本 相 同， 证明改进后 的收集器 的瞬态响应和时间分辨 率 比较稳定 薯 耋 图5 复频率下电压与逃逸电子束流波形( a