CN104360253A - 非常规条件下气体放电实验分析方法 - Google Patents

Abstract

非常规条件下气体放电实验分析方法，属于高电压与高能物理学气体放电技术领域。本发明是为了解决非常规条件下气体放电过程的试验手段落后，使其放电过程状态无法被准确获得，进而无法解读气隙放电信号所表达的信息的问题。分析方法为：首先获得粒子在高能级E_n向低能级E_m跃迁时的谱线强度I_nm；再获得粒子在公共下能级的两条谱线相对强度比值；建立波尔兹曼分布方程，根据粒子达到热力学平衡或局部热力学平衡时，同种粒子的两个能级E_m和E_n上的粒子密度比值计算获得粒子温度T；再由粒子温度T，确定密闭放电室内气体介质的光谱特性，进而获得粒子密度分布。本发明用于气体放电过程的分析。

Description

非常规条件下气体放电实验分析方法

技术领域

本发明涉及非常规条件下气体放电实验分析方法，属于高电压与高能物理学气体放电技术领域。

背景技术

非常规条件下的气体介质放电特性与通常的直流、工频或长脉冲下的绝缘特性具有很大差异。其原因是由于脉冲宽度相似或小于介质的松弛极化时间和粒子运动的时间量级，尤其在纳秒甚至更短脉冲的窄脉冲条件下，介质的极化历程和粒子运动行为具有不同表现，必然引起介质及其结构绝缘性能的改变，甚至存在许多异常现象。这可能是窄脉冲条件下电极间瞬态电场分布、空间电荷积聚、介质表面电荷沉积规律和介质松弛极化过程不同所致。尤其近年通讯事业的飞速发展，大量的高频电子设备投入运行，高频及超高频信号的发送传输，对绝缘介质提出更高的要求。

目前解释纳秒脉冲下介质放电发展过程的主要有经典流注机理、电子崩链模型、逃逸电子模型等。纳秒脉冲电压下的介质放电属于经典流注机理解释的范围，但经典的流注机理在解释纳秒、亚纳秒级击穿时延上存在缺陷，因此基于流注机理发展了诸如电子崩链模型、逃逸电子模型等。它们的相同点是在形成临界电子崩的基础上，考虑空间电荷场，发展二次过程，最后都形成流注；而不同之处在于形成流注前的二次过程是不一样的。经典流注放电强调放电的二次发展需要在临界电子崩时辐射足以引发空间光电离的光子，空间光电离的作用很重要；电子崩链模型和逃逸电子模型都是基于放电过程中辐射的逃逸电子，考虑气体放电动力学在放电过程中的作用。电子崩链模型是在主电子崩的崩头发展二次电子崩，逐步形成贯穿阴极和阳极的线性电子崩链；逃逸电子模型认为逃逸电子主导主电子崩逐步向阳极的发展。电子崩链模型、逃逸电子模型强调放电继续发展的二次过程是电子崩内部逃逸的高能量电子,不考虑空间光电离。

非常规条件下气体放电过程的研究工作，由于受到试验手段、检测技术和分析方法的制约，还缺少足够的试验数据和理论解释，例如结构优化、反应速度、使用寿命仍然是研究热点课题。

发明内容

本发明目的是为了解决非常规条件下气体放电过程的试验手段落后，使其放电过程状态无法被准确获得，进而无法解读气隙放电信号所表达的信息的问题，提供了一种非常规条件下气体放电实验分析方法。

本发明所述非常规条件下气体放电实验分析方法，它基于非常规条件下气体放电实验装置实现，该实验装置包括密闭放电室、棒板铜电极、单色仪、光图像采集器、放电图像采集器和计算机，

棒板铜电极设置在密闭放电室中，棒板铜电极的棒部的首端与板部间具有间隙，板部与电源地连接，棒部的末端经过一电阻与高电压电源连接；

密闭放电室的两个相对的侧壁上分别设置有石英玻璃窗，该两个相对的侧壁与棒板铜电极的板部的放电表面相垂直；

单色仪用于采集透过一个石英玻璃窗的光信号，光图像采集器用于采集单色仪出射口输出的光信号，光图像采集器采集获得的光图像信号传递给计算机；

放电图像采集器用于采集透过另一个石英玻璃窗的放电图像，放电图像采集器再将放电图像传递给计算机；

所述分析方法为：

由光图像采集器采集获得密闭放电室内电晕放电过程中粒子在高能级E_n向低能级E_m跃迁时的谱线强度I_nm：

$I_{\mathrm{nm}}=A_{\mathrm{nm}}\frac{h{V}_{\mathrm{nm}}}{4\mathrm{\π}}{N}_{n}l,$ (公式一)

式中A_nm为粒子从能级n跃迁到能级m的自发跃迁概率；h为普朗克常量；V_nm为粒子从能级n跃迁到能级m时光的频率；N_n为激发能级为n的粒子密度；l是测量方向上粒子的厚度；

粒子在公共下能级的两条谱线相对强度比值为：

$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{N_m{A}_{\mathrm{mr}}{V}_{\mathrm{mr}}}{N_n{A}_{\mathrm{nr}}{V}_{\mathrm{nr}}},$ (公式二)

式中I_mr为粒子在高能级E_m向低能级E_r跃迁时的谱线强度，I_nr为粒子在高能级E_n向低能级E_r跃迁时的谱线强度；N_m为激发能级为m的粒子密度；N_n为激发能级为n的粒子密度；A_mr为粒子从能级m跃迁到能级r的自发跃迁概率；A_nr为粒子从能级n跃迁到能级r的自发跃迁概率；V_mr为粒子从能级m跃迁到能级r时光的频率；V_nr为粒子从能级n跃迁到能级r时光的频率；

建立波尔兹曼分布方程，当粒子达到热力学平衡或局部热力学平衡时，同种粒子的两个能级E_m和E_n上的粒子密度满足：

$\frac{N_m}{N_n}=\frac{g_m}{g_n}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$ (公式三)

式中g_m为粒子在m能级的统计权重，g_n为粒子在n能级的统计权重，k为波尔兹曼常数，T为粒子温度；

将公式三代入公式二消去粒子密度参数，获得粒子跃迁时的谱线强度与温度关系方程：

$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m{V}_{\mathrm{mr}}}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n{V}_{\mathrm{nr}}}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$ (公式四)

计算获得粒子温度T：

$T=\frac{(\ln \frac{V_{\mathrm{mr}}}{V_{\mathrm{nr}}}+\ln \frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n})h(V_{\mathrm{mr}}-V_{\mathrm{nr}})}{k(\ln \frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{mr}}}-\mathrm{\Λ})},$ (公式五)

式中Λ为校正因子；

再由粒子温度T，确定密闭放电室内气体介质的光谱特性，进而获得粒子密度分布。

所述粒子密度N_e为：

$N_e=\frac{I^0{g}^{+}{A}^{+}{V}^{+}2{\left(2\mathrm{\π}{m}_e\mathrm{kT}\right)}^{3/2}}{I^{+g^0{A}^0{V}^0{h}^3}}\exp \left(\frac{E^0-E^{+}-E_i}{\mathrm{kT}}\right),$ (公式六)

式中I⁰为原子谱线强度，g⁺为激发态统计权值，A⁺为离子自发跃迁概率，V⁺为激发态粒子光频率，m_e为电子质量，I⁺为电离离子谱线强度，g⁰为基态统计权值，A⁰为原子自发跃迁概率，V⁰为基态原子光频率，E⁰为原子光谱线的激发电位，E⁺为离子光谱线激发电位，E_i为某元素的电离能。

所述实验装置还包括同步器，

同步器的同步信号输出端同时连接光图像采集器和放电图像采集器的同步信号输入端。

本发明的优点：本发明所述分析方法，实现了非常规条件下气体放电过程的可视化，能够揭示非常规条件下气体放电过程中性粒子激励、带电粒子生灭、能量输运和放电通道演化的微观机制。

本发明方法可以获取信号的特征量作为在线监测的检测因子，用于预判电力设备绝缘老化程度和使用寿命，能够对脉冲下短空气隙放电过程有更深入的了解，并对气隙放电过程有更加清晰的认识，进而深入理解气隙放电信号所表达的信息。

附图说明

图1是本发明所述非常规条件下气体放电实验分析方法原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述非常规条件下气体放电实验分析方法，它基于非常规条件下气体放电实验装置实现，该实验装置包括密闭放电室1、棒板铜电极2、单色仪3、光图像采集器4、放电图像采集器5和计算机6，

棒板铜电极2设置在密闭放电室1中，棒板铜电极2的棒部的首端与板部间具有间隙，板部与电源地连接，棒部的末端经过一电阻与高电压电源连接；

密闭放电室1的两个相对的侧壁上分别设置有石英玻璃窗1-1，该两个相对的侧壁与棒板铜电极2的板部的放电表面相垂直；

单色仪3用于采集透过一个石英玻璃窗1-1的光信号，光图像采集器4用于采集单色仪3出射口输出的光信号，光图像采集器4采集获得的光图像信号传递给计算机6；

放电图像采集器5用于采集透过另一个石英玻璃窗1-1的放电图像，放电图像采集器5再将放电图像传递给计算机6；

所述分析方法为：

由光图像采集器4采集获得密闭放电室1内电晕放电过程中粒子在高能级E_n向低能级E_m跃迁时的谱线强度I_nm：

$I_{\mathrm{nm}}=A_{\mathrm{nm}}\frac{h{V}_{\mathrm{nm}}}{4\mathrm{\π}}{N}_{n}l,$ (公式一)

式中A_nm为粒子从能级n跃迁到能级m的自发跃迁概率；h为普朗克常量；V_nm为粒子从能级n跃迁到能级m时光的频率；N_n为激发能级为n的粒子密度；l是测量方向上粒子的厚度；

粒子在公共下能级的两条谱线相对强度比值为：

$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{N_m{A}_{\mathrm{mr}}{V}_{\mathrm{mr}}}{N_n{A}_{\mathrm{nr}}{V}_{\mathrm{nr}}},$ (公式二)

式中I_mr为粒子在高能级E_m向低能级E_r跃迁时的谱线强度，I_nr为粒子在高能级E_n向低能级E_r跃迁时的谱线强度；N_m为激发能级为m的粒子密度；N_n为激发能级为n的粒子密度；A_mr为粒子从能级m跃迁到能级r的自发跃迁概率；A_nr为粒子从能级n跃迁到能级r的自发跃迁概率；V_mr为粒子从能级m跃迁到能级r时光的频率；V_nr为粒子从能级n跃迁到能级r时光的频率；

建立波尔兹曼分布方程，当粒子达到热力学平衡或局部热力学平衡时，同种粒子的两个能级E_m和E_n上的粒子密度满足：

$\frac{N_m}{N_n}=\frac{g_m}{g_n}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$ (公式三)

式中g_m为粒子在m能级的统计权重，g_n为粒子在n能级的统计权重，k为波尔兹曼常数，T为粒子温度；

将公式三代入公式二消去粒子密度参数，获得粒子跃迁时的谱线强度与温度关系方程：

$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m{V}_{\mathrm{mr}}}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n{V}_{\mathrm{nr}}}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$ (公式四)

计算获得粒子温度T：

$T=\frac{(\ln \frac{V_{\mathrm{mr}}}{V_{\mathrm{nr}}}+\ln \frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n})h(V_{\mathrm{mr}}-V_{\mathrm{nr}})}{k(\ln \frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{mr}}}-\mathrm{\Λ})},$ (公式五)

式中Λ为校正因子；

再由粒子温度T，确定密闭放电室1内气体介质的光谱特性，进而获得粒子密度分布。

本实施方式中实验装置的密闭放电室1内压力可调控，采集光谱时，光信号透过一个石英玻璃窗1-1进入单色仪3的入射狭缝。经单色仪3分光后，单色光照射在光图像采集器4上。光图像采集器4将光信号转换为电信号传递给计算机6对信号进行分析与处理，获得气体放电光谱信息。放电过程的图像采集则通过另一个石英玻璃窗1-1由放电图像采集器5获得。

本实施方式中，为了引入温度参数，建立波尔兹曼分布方程。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述粒子密度N_e为：

$N_e=\frac{I^0{g}^{+}{A}^{+}{V}^{+}2{\left(2\mathrm{\π}{m}_e\mathrm{kT}\right)}^{3/2}}{I^{+g^0{A}^0{V}^0{h}^3}}\exp \left(\frac{E^0-E^{+}-E_i}{\mathrm{kT}}\right),$ (公式六)

式中I⁰为原子谱线强度，g⁺为激发态统计权值，A⁺为离子自发跃迁概率，V⁺为激发态粒子光频率，m_e为电子质量，I⁺为电离离子谱线强度，g⁰为基态统计权值，A⁰为原子自发跃迁概率，V⁰为基态原子光频率，E⁰为原子光谱线的激发电位，E⁺为离子光谱线激发电位，E_i为某元素的电离能。

气体放电过程信息处理：

通过采集光谱来研究气体放电是非接触式的方法，因而不受电场、磁场的影响，具有选择性好、灵敏度高、易操作、高准确度、对放电系统无干扰等诸多优势，是研究气体放电机理的有效方法。

气体分子被激励后从高能级跃迁回低能级需要释放出能量，即光子。不同波长的光子就形成了光谱，放电通道之所以能够发出光谱来，正是由于粒子跃迁的结果。光谱技术是研究气体放电过程中激发态跃迁和能量传递机理的有效手段。测量光谱可以得到气体放电过程中粒子的产生类型和产生过程，通过测量得到光谱的波长和光照强度，可以计算出粒子的温度和粒子的密度。通过分析原子和分子离子的光谱可以得到气体放电过程中粒子的温度和粒子的能量分布。

在局域热动平衡条件下，能级分布遵循Boltzmann关系，同一元素的两条谱线的强度比可表示为：

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{A_1{g}_1{\mathrm{\λ}}_2}{A_2{g}_2{\mathrm{\λ}}_1}\exp (-\frac{E_2-E_1}{k{T}_e})$

其中，g₁、A₁和g₂、A₂分别是能级E₁和E₂的统计权重与跃迁几率,λ₁与λ₂分别为谱线1与谱线2的波长，T_e为电子温度。

根据沙哈方程和H线的Stark加宽计算粒子密度的公式为：

$N_e=2\×\frac{{\left({2\mathrm{\πmkT}}_e\right)}^{3/2}}{h^3}\left[\frac{I_a}{I_i}\right]\·{\left[\frac{\mathrm{gA}}{\mathrm{\λ}}\right]}_i\·{\left[\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{gA}}\right]}_a\·\exp [-\frac{V-E_i-E_a}{k{T}_e}],$

其中，m为质量，I_i，I_a分别为离子、原子线的相对强度；g为统计权重，A为跃迁几率；λ为谱线的波长，V为原子的电离能；E_i，E_a分别为离子、原子相应跃迁的激发能。

通过对光谱的测量，可以知道光谱的波长和光谱强度，可以获得粒子的温度，由此可以获得以下参量：

(1)光谱的波长：

光谱由三部分构成，包括电子光谱、振动光谱和转动光谱三部分。这是由于分子能量是由电子能量E_e、振动能量E_v和转动能量E_r三部分构成的。分子能量决定了分子光谱的波长。

(2)光照强度：

原子谱线的光照强度为辐射源每秒所发射出的能量，对于非简并能级之间的跃迁，有：

$I_{\mathrm{emission}}^{\mathrm{nm}}=N_{n}h{\mathrm{cv}}_{\mathrm{nm}}{A}_{\mathrm{nm}}=\frac{64N_{n}c{\mathrm{\π}}^4}{3}{v}_{\mathrm{nm}}^4{\left|R^m\right|}^2,$

其中，R^nm是跃迁的矩阵元；A_nm为自发发射的爱因斯坦跃迁概率；N_n是原子总数；hcv_nm为在跃迁中发射出的每个波数为v_nm的光量子的能量。

(3)谱线线型：

谱线的线型分为高斯型、洛仑兹型和综合线型三种。

(4)粒子的浓度

在粒子温度已知的前提下，通过确定光谱特性，可以获得粒子密度分布。

气体放电间隙场函数：

本发明基于质量守恒、动量守恒及能量守恒物理定律，建立了非常规条件下气体间隙放电过程的温度场、电磁场、脉冲力场计算模型，由气体间隙激励参量、气室条件、电极构型与气体放电间隙微观粒子参数的耦合关系，揭示其放电机理。

具体实施方式三：下面结合图1进行说明，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述实验装置还包括同步器7，

同步器7的同步信号输出端同时连接光图像采集器4和放电图像采集器5的同步信号输入端。

Claims (3)

1.一种非常规条件下气体放电实验分析方法，其特征在于，它基于非常规条件下气体放电实验装置实现，该实验装置包括密闭放电室(1)、棒板铜电极(2)、单色仪(3)、光图像采集器(4)、放电图像采集器(5)和计算机(6)，

棒板铜电极(2)设置在密闭放电室(1)中，棒板铜电极(2)的棒部的首端与板部间具有间隙，板部与电源地连接，棒部的末端经过一电阻与高电压电源连接；

密闭放电室(1)的两个相对的侧壁上分别设置有石英玻璃窗(1-1)，该两个相对的侧壁与棒板铜电极(2)的板部的放电表面相垂直；

单色仪(3)用于采集透过一个石英玻璃窗(1-1)的光信号，光图像采集器(4)用于采集单色仪(3)出射口输出的光信号，光图像采集器(4)采集获得的光图像信号传递给计算机(6)；

放电图像采集器(5)用于采集透过另一个石英玻璃窗(1-1)的放电图像，放电图像采集器(5)再将放电图像传递给计算机(6)；

所述分析方法为：

由光图像采集器(4)采集获得密闭放电室(1)内电晕放电过程中粒子在高能级E_n向低能级E_m跃迁时的谱线强度I_nm：

$I_{\mathrm{nm}}=A_{\mathrm{nm}}\frac{{\mathrm{hV}}_{\mathrm{nm}}}{4\mathrm{\π}}{N}_{n}l,$                     (公式一)

式中A_nm为粒子从能级n跃迁到能级m的自发跃迁概率；h为普朗克常量；V_nm为粒子从能级n跃迁到能级m时光的频率；N_n为激发能级为n的粒子密度；l是测量方向上粒子的厚度；

粒子在公共下能级的两条谱线相对强度比值为：

$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{N_m{A}_{\mathrm{mr}}{V}_{\mathrm{mr}}}{N_n{A}_{\mathrm{nr}}{V}_{\mathrm{nr}}},$                       (公式二)

式中I_mr为粒子在高能级E_m向低能级E_r跃迁时的谱线强度，I_nr为粒子在高能级E_n向低能级E_r跃迁时的谱线强度；N_m为激发能级为m的粒子密度；N_n为激发能级为n的粒子密度；A_mr为粒子从能级m跃迁到能级r的自发跃迁概率；A_nr为粒子从能级n跃迁到能级r的自发跃迁概率；V_mr为粒子从能级m跃迁到能级r时光的频率；V_nr为粒子从能级n跃迁到能级r时光的频率；

建立波尔兹曼分布方程，当粒子达到热力学平衡或局部热力学平衡时，同种粒子的两个能级E_m和E_n上的粒子密度满足：

$\frac{N_m}{N_n}=\frac{g_m}{g_n}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$            (公式三)

式中g_m为粒子在m能级的统计权重，g_n为粒子在n能级的统计权重，k为波尔兹曼常数，T为粒子温度；

将公式三代入公式二消去粒子密度参数，获得粒子跃迁时的谱线强度与温度关系方程：

$\frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{nr}}}=\frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m{V}_{\mathrm{mr}}}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n{V}_{\mathrm{nr}}}\exp [-\frac{E_m-E_n}{\mathrm{kT}}],$                      (公式四)

计算获得粒子温度T：

$T=\frac{(\ln \frac{V_{\mathrm{mr}}}{V_{\mathrm{nr}}}+\ln \frac{A_{\mathrm{mr}}{g}_m}{A_{\mathrm{nr}}{g}_n})h(V_{\mathrm{mr}}-V_{\mathrm{nr}})}{k(\ln \frac{I_{\mathrm{mr}}}{I_{\mathrm{mr}}}-\mathrm{\Λ})},$                  (公式五)

式中Λ为校正因子；再由粒子温度T，确定密闭放电室(1)内气体介质的光谱特性，进而获得粒子密度分布。

2.根据权利要求1所述的非常规条件下气体放电实验分析方法，其特征在于，所述粒子密度N_e为：

$N_e=\frac{I^0{g}^{+}{A}^{+}{V}^{+}2{\left(2\mathrm{\π}{m}_e\mathrm{kT}\right)}^{3/2}}{I^{+}{g}^0{A}^0{V}^0{h}^3}\exp \left(\frac{E^0-E^{+}-E_i}{\mathrm{kT}}\right),$        (公式六)

式中I⁰为原子谱线强度，g⁺为激发态统计权值，A⁺为离子自发跃迁概率，V⁺为激发态粒子光频率，m_e为电子质量，I⁺为电离离子谱线强度，g⁰为基态统计权值，A⁰为原子自发跃迁概率，V⁰为基态原子光频率，E⁰为原子光谱线的激发电位，E⁺为离子光谱线激发电位，E_i为某元素的电离能。

3.根据权利要求1或2所述的非常规条件下气体放电实验分析方法，其特征在于，所述实验装置还包括同步器(7)，同步器(7)的同步信号输出端同时连接光图像采集器(4)和放电图像采集器(5)的同步信号输入端。