CN100523846C - 一种材料击穿场强的测试设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种材料击穿场强的测试设备，它还包括XYZ三坐标支架(1)、激光测距仪器(5)，在所述真空室(2)内设置有XYZ三坐标支架(1)和固定阳极装置(8)，该固定阳极装置(8)固定有阳极(4)，所述XYZ三坐标支架(1)用于固定作为阴极的被测试样(3)；在真空室(2)外垂直于XYZ三坐标支架(1)方向处设置激光测距仪器(5)，激光测距仪器(5)与真空室(2)连通。本发明能进行三维方向的精确调整对正，并能精确测量出击穿距离。可适用于各种金属材料或金属基复合材料的击穿场强、击穿电流的精确测试，以及阴极斑点的发生过程，阴极斑点形貌的实时观察。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试设备，特别涉及一种材料击穿场强的测试设备。
背景技术
电弧等离子体技术可广泛应用于切割、热喷涂、焊接、熔炼、新材料合成、超细粉制备、废水处理、空间推进等方面。电弧等离子发生器中的阴极是这一系统的关键部件。阴极担负着发射电子，维持电弧稳定燃烧的作用，同时还承受高能离子轰击和高温烧蚀等苛刻的服役条件，因烧蚀而导致的使用寿命短是其突出矛盾。因此，开发和研制新型电极材料，满足等离子体技术的发展需求，势在必行。阴极材料性能的优劣取决于自身的起弧性能和电弧烧蚀性能。而阴极材料的起弧性能和电弧烧蚀性能则主要取决于阴极的电子发射能力和电弧在电极表面的形态和分布，而阴极材料电子发射能力的强弱可以用其真空击穿场强来加以评价。观察阴极斑点在电极表面的形成、运动和熄灭过程，可通过高速摄影的方法来实现。
为了开发和研制新型电极材料，必须首先开发出可用于评价电极材料性能的高性能的检测设备和方法。但是，到目前为止还没有一个比较完善的高精度设备来测试和表征材料的上述性能。因此，研究出精密测试设备和相应的测试方法可为新型电极材料的开发提供实验支持和科学依据，并能指导设计具有自主知识产权的新一代电极材料。
为了表征材料的真空击穿性能和观察阴极斑点的形貌，目前的做法是，阴极材料在真空小间隙下的起弧场强是在经改装的TDR-40A真空单晶炉中进行的。测试过程如下：阴极材料被加工成金相试样，精细抛光后放入真空炉中作阴极，阳极用Φ2mm纯钨制成，固定在阴极上方的移动杆上，下面与阴极面平行。阴极和阳极在5×10-3Pa的真空度下加热到500℃保温0.5h以除去表面杂质及吸附气体，之后在真空中冷却至室温。在阴极和阳极之间加上8KV的直流电压，使阴极以0.2mm/min的速度缓慢上升，接近阳极直至在阴极和阳极之间引燃电弧，用百分表测量此时阴极间的距离，击穿场强数值为为击穿电压除以击穿距离。拉开阴极和阳极，重复上述过程。上述测量设备及方法的缺点是：阴极的固定方式简单，难以对其进行三维方向的精确调整对正；通过真空下加热再冷却的方式去除样品表面杂质及吸附气体，该方法需要加热系统，且工艺过程耗时长，清除效果不理想；采用传统的涡轮蜗杆传动机构，阴—阳极之间接近速度较快，且用百分表测量阴极间的距离，精度较低；测试过程基本靠手动和目测进行，设备的自动化程度低；设备上未配备CCD相机，不能对阴极斑点进行实时观察。
本发明在吸取前人部分测试方法优点的基础上，并利用计算机技术、精密光电测控技术，通过这些先进设备和测试技术的支持发明了一种全自动精密测试设备和相应的测试方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种材料击穿场强的测试设备，该设备能进行三维方向的精确调整对正，并能精确测量出击穿距离。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：它还包括XYZ三坐标支架(1)、激光测距仪器(5)，在所述真空室(2)内设置有XYZ三坐标支架(1)和固定阳极装置(8)，该固定阳极装置(8)固定有阳极(4)，所述XYZ三坐标支架(1)用于固定作为阴极的被测试样(3)；在真空室(2)外垂直于XYZ三坐标支架(1)方向处设置激光测距仪器(5)，激光测距仪器(5)与真空室(2)连通。
为了清洗效果良好，且方便，在所述真空室(2)外还设置有Ar+枪(15)，且与真空室(2)连通。
所述激光测距仪器(5)与监视器(6)相连，监视器(6)与测距仪控制计算机(7)相连。
所述真空室(2)连接有用于抽真空的真空系统(9)。
在所述真空室(2)外还设置有相机(16)，且与真空室(2)连通，相机(16)与测距仪控制计算机(7)相连。
直流电源(14)分别与示波器(17)和阳极(4)相连。
所述示波器(17)连有进给系统控制计算机(13)。
所述固定阳极装置(8)连有液压系统(10)。
为了使装置简便，所述固定阳极装置(8)还可以连有步进电机+滚珠丝杠进给机构(18)。
本发明的有益效果是：
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本测试设备为全新设计的仪器；全系统由计算机和先进的光电测试仪器组成，因此全系统的自动化程度高、控制精度高、数据的准确性强；测量数值可实时采集并处理，测试效率高；试验现象可实时观察。该发明使用范围广泛，可适用于各种金属材料或金属基复合材料的击穿场强、击穿电流的精确测试，以及阴极斑点的发生过程，阴极斑点形貌的实时观察。
附图说明
图1为本发明材料击穿场强的测试设备实施例1的结构示意图；
图2为本发明材料击穿场强的测试设备实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，全套测试设备由真空室、XYZ三坐标支架、激光测距仪器、CCD相机、监视器、进给系统控制计算机、Ar+枪系统、示波器、CCD相机与测距仪控制计算机、液压系统、真空系统、机架、DC电源等构成。
本发明在所述真空室2内设置有XYZ三坐标支架1和固定阳极装置8，该固定阳极装置8固定有阳极4，所述XYZ三坐标支架1用于固定作为阴极的被测试样3；在真空室2外垂直于XYZ三坐标支架1方向处设置激光测距仪器5，激光测距仪器5与真空室2连通。在所述真空室2外还设置有Ar+枪15，且与真空室2连通。所述激光测距仪器5与监视器相连，监视器6与测距仪控制计算机7相连。在所述真空室2外还设置有CCD相机16，且与真空室2连通，CCD相机16与测距仪控制计算机7相连。所述真空室2应保持较高的真空度，真空度大于2×10-3Pa。直流电源14分别与示波器17和固定阳极装置8相连。所述固定阳极装置8连有液压系统10。
其测试过程如下：把样品加工成金相试样，精细抛光后放入真空室内并固定在XYZ三坐标支架上作为阴极，XYZ三坐标支架可在X、Y、Z三个方向微调，通过调整使阴极与阳极对正，即使阳极对准阴极的中心部。拉开阴极和阳极到一定距离，然后用Ar+枪清洗5min以除去表面杂质及吸附气体。启动液压系统，在液压系统的作用下，阳极以0.01mm/min的速度极缓慢上升并接近被测试样(阴极)，在一定距离时发生击穿。通过示波器和进给系统控制计算机精确控制阳极的启动与停止时间，即当发生击穿时，当在示波器上显示有一定量电流出现时，进给系统控制计算机控制进给系统立即终止。用激光测距仪器精确测量阳极与阴极间的距离，并通过CCD相机与测距仪控制计算机即时计算出击穿场强。拉开阴极和阳极，重复上述过程。
本发明测距采用激光测距仪，大大提高了测量距离；采用氩离子清洗试样，清洗效果好；采用液压系统作为进给机构，可进行无级调速，也改善了数据精度；采用XYZ三坐标支架，使测试调整精度提高；配备CCD相机系统，可以对阴极斑点进行实时观察。
实施例1
本发明测量W-2％ThO2电极材料击穿场强过程如下：
把W-2％ThO2电极材料用机械加工(如线切割)取样，再把样品制成金相试样，精细抛光后放入真空室内并固定在XYZ三坐标支架上，在三维空间微调XYZ三坐标支架使样品平面水平并和阳极对正。打开真空系统，使真空室保持较高的真空度，真空度不低于2×10-3Pa。然后启动Ar+枪清洗系统，用Ar+枪清洗5min以除去表面杂质及吸附气体。启动DC直流可调电源，根据需要将电压确定在8000V。启动液压系统电源控制计算机和CCD相机与测距仪控制计算机。启动液压系统，在液压系统和油缸的作用下，阳极以0.01mm/min的速度极缓慢上升并接近被测试样(阴极)，在一定距离时发生击穿，通过示波器和液压系统电源控制计算机精确控制阳极的启动与停止时间，用激光测距仪器精确测量阳极与阴极间的距离，并通过CCD相机与测距仪控制计算机即时计算出击穿场强，击穿场强计算公式为8000V/击穿距离。拉开阴极和阳极，重复上述过程。每个样品测量100次，最后控制计算机基于origin软件绘图绘出击穿场强与击穿次数的关系曲线。利用CCD相机系统实时拍摄阴极斑点的形成、演变过程。
本发明可根据需要测试各种不同材料的真空击穿性能，如W-2％ThO2电极材料、W-Cu电极材料以及其它金属基复合材料的真空击穿性能。
实施例2
如图2所示，其他结构和测试过程与实施例1相同，将固定阳极装置8改为连有步进电机+滚珠丝杠进给机构18。
Claims (6)
1、一种材料击穿场强的测试设备，它包括真空室(2)，其特征在于，在所述真空室(2)内设置有XYZ三坐标支架(1)和固定阳极装置(8)，该固定阳极装置(8)上固定有阳极(4)，所述XYZ三坐标支架(1)用于固定作为阴极的被测试样(3)，XYZ三坐标支架(1)还连接有示波器(17)该示波器(17)通过电源(14)和阳极(4)相连；在真空室(2)外垂直于XYZ三坐标支架(1)方向处设置激光测距仪器(5)，激光测距仪器(5)与真空室(2)连通，激光测距仪器(5)通过监视器(6)与测距仪控制计算机(7)相连；在真空室(2)外还设置有与真空室(2)连通的相机(16)，该相机(16)同时与测距仪控制计算机(7)相连。
2、如权利要求1所述的材料击穿场强的测试设备，其特征在于，在真空室(2)外还设置有与真空室(2)连通的Ar+枪(15)。
3、如权利要求1所述的材料击穿场强的测试设备，其特征在于，所述所述真空室(2)还连接有用于抽真空的真空系统(9)。
4、如权利要求1所述的材料击穿场强的测试设备，其特征在于，所述示波器(17)还连接有进给系统控制计算机(13)。
5、如权利要求1至4任一项所述的材料击穿场强的测试设备，其特征在于，其特征是：所述固定阳极装置(8)连有液压系统(10)。
6、如权利要求1至4任一项所述的材料击穿场强的测试设备，其特征是：所述固定阳极装置(8)连有步进电机+滚珠丝杠进给机构(18)。
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