CN106908699A - 放电腔及基于其的气体间隙击穿阈值的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体间隙击穿阈值的测量方法及装置，脉冲激光聚焦在阴极中心表面产生初始电子；逐渐增加激光能量使得气体间隙临界击穿，则此时所产生的初始电子数目便视为气体间隙击穿的阈值；将此时的初始电子施加到一个使其不增殖的电压条件下并测量电子运动产生的电流；对电流积分便可得出间隙击穿的初始电子数目阈值。本发明提供的一种气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量方法及装置，可以方便有效的测量不同间隙距离、工作系数、气压以及气体介质种类条件下间隙击穿所需满足的初始电子数目阈值，具有操作简单、工作范围广，可重复性强的特点。

Description

放电腔及基于其的气体间隙击穿阈值的测量方法及装置

技术领域

本发明属于气体放电领域，具体涉及一种放电腔及基于该放电腔的气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量方法及装置。

背景技术

气体间隙作为一种控制电流流通与断开的装置，广泛应用于脉冲功率装置和电力系统中。以气体间隙为基础结构所组成的气体开关，由于具有通流能力强、工作范围广、易于控制、寿命长等特点，更是成为脉冲功率驱动源中不可替代的关键性部件。气体开关的工作过程包括静态耐压和触发放电两个阶段，在静态耐压阶段，间隙的阴阳两极承受一个低于自击穿电压的直流电压，其幅值高低通常用工作系数，即直流电压与自击穿电压幅值的比值来表示，之后通过一定的触发方式实现气体间隙触发放电。为保证气体开关精确受控导通，要求气体开关间隙在静态耐压阶段能够稳定承载直流电压而不发生击穿，从放电物理的角度来看，当间隙在静态耐压阶段中的初始电子数目超过一定的阈值之后，将会导致间隙击穿，使得开关失去控制提前导通，这一阈值称为气体间隙击穿的初始电子数目阈值。测量并研究不同宏观条件(工作系数、气压、间隙距离、气体介质)下间隙击穿所需满足的初始电子数目阈值，对于深入研究气体间隙击穿的物理过程、丰富和发展气体放电理论，具有重要的物理意义。此外，对于指导气体开关设计、精确控制开关导通、评判气体间隙触发方式及性能，都具有一定的指导作用和实际意义。

国内外研究人员对于气体间隙击穿所需达到的初始电子数目阈值进行了一定的研究。文献(N Sato；S Sakamoto.Undervoltage breakdown between parallel plates inair[J].Journal of Physics D:Applied Physics,1979,Vol.12(6),pp.875-885)和文献(Frechette,M.F；Bouchelouh,N；Larocque,R.Y.Laser-induced undervoltage breakdownin atmospheric N₂ correlated with time-resolved avalanches[J].Proceedings of1994 IEEE International Symposium on Electrical Insulation,1994,pp.515-517)介绍了两种测量方法，其均通过脉冲激光与电极的光电效应在间隙中产生初始电子，并实现了对一定工作系数范围条件下间隙击穿初始电子数目的测量，但存在以下缺陷：首先，激光的引入采用轴向引入的方式，即激光通道贯穿放电间隙，使得初始电子运动路径上的气体发生电离，从而影响电子的发展并影响其电流，进而会对电子数目的测量带来误差；其次，由于在阳极开孔或制成网孔结构，这会对间隙电场造成畸变从而造成电场不均匀，进而影响初始电子运动；第三，文献中使用的激光脉宽为数纳秒量级，使得初始电子不能看作一瞬间发射，无法模拟实际气体间隙中初始电子的场致发射；最后，在电子数目测量时，需把放电腔抽成真空进行测量，由于放电介质发生了变化，造成了实验的“不等效性”，也会对测量带来误差。这些在测量方法与步骤、设备参数、实验装置结构设计上的缺陷将导致测量结果精度较低，同时文献中的测量方法与装置只能在低气压中应用，无法拓展到更广范围中应用。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种气体间隙击穿阈值的测量方法及装置。本发明适用于研究不同的工作系数、间隙距离、气压、气体介质条件下，间隙击穿所需达到的初始电子数目阈值。

本发明的技术解决方案为提供一种气体间隙击穿阈值的测量方法，包括以下步骤：

1)脉冲激光聚焦在阴极中心表面产生初始电子；通过改变激光能量来改变初始电子数目。

2)逐渐增加激光能量使得气体间隙临界击穿，则此时所产生的初始电子数目便视为气体间隙击穿的初始电子数目阈值；

3)将此时的电子施加到一个使其不增殖的电压条件下并测量电子运动产生的电流；

4)对电流积分便可得出间隙击穿的初始电子数目阈值。

进一步的，通过调节气体间隙的工作系数、间隙距离、气压以及气体介质种类，获得不同条件下气体间隙击穿初始电子数目阈值，并获得上述参数对该阈值的影响。

上述步骤1)中的脉冲激光是斜向聚焦在阴极中心表面。

本发明还提供一种放电腔，其特殊之处在于：包括绝缘壳体、与绝缘壳体上端面可拆卸连接的上极板、位于绝缘壳体内且与上极板接触的电极连接部件、与电极连接部件可拆卸连接的阳极、与绝缘壳体下端面可拆卸连接的分裂阴极、设置于电极连接部件与分裂阴极之间的带开孔的绝缘子、设置于绝缘壳体侧壁上的气嘴及石英玻璃；

上述上极板的下表面与电极连接部件之间设置有金属环形压圈；

上述上极板、绝缘壳体、分裂阴极组成封闭腔体。

本发明还提供一种气体间隙击穿阈值的测量装置，其特殊之处在于：包括电源系统、放电腔、测量系统、激光器与光路系统；

上述放电腔包括绝缘壳体、与绝缘壳体上端面可拆卸连接的上极板、位于绝缘壳体内且与上极板接触的电极连接部件、与电极连接部件可拆卸连接的阳极、与绝缘壳体下端面可拆卸连接的分裂阴极、设置于电极连接部件与分裂阴极之间的带开孔的绝缘子、设置于绝缘壳体侧壁上的气嘴及石英玻璃；

上述上极板的下表面与电极连接部件之间设置有金属环形压圈；

上述上极板、绝缘壳体、分裂阴极组成封闭腔体；

上述上极板与电源系统连接，所述分裂阴极与测量系统连接；

还包括回路电容、回路电阻，所述放电腔、回路电容、回路电阻及测量系统构成回路；回路电容的一端与放电腔的上极板相连，另一端与回路电阻相连，回路电阻的另一端接地；

上述光路系统包括半透半反镜片及位于半透半反镜片反射光路上的激光能量计，一路激光透过半透半反镜片后再通过石英玻璃与绝缘子的开孔被聚焦在分裂阴极表面，另一路激光反射入激光能量计中。

优选的，上述激光器产生皮秒级脉宽的紫外脉冲激光。

优选的，上述电极连接部件包括上盖板、筒形连接部件及绝缘支撑片；上述筒形连接部件上下表面内边缘均开环形凹槽，分别用于固定上盖板和绝缘支撑片；上述阳极与筒形连接部件的底部可拆卸连接，上述绝缘支撑片用于固定阳极；所述激光器的波长为355nm。

优选的，上述阳极为饼形，上述阳极上表面开螺纹孔，用于与电极连接部件固定；上述阳极腰部开槽，用于嵌套绝缘支撑片。

优选的，上述分裂阴极由内阴极、环形外阴极以及位于内阴极与环形外阴极之间的绝缘部件组成，上述内阴极可拆卸的固定(如螺钉固定)在绝缘部件上，上述绝缘部件与环形外阴极可拆卸连接，并通过密封圈使内外阴极之间密封。

优选的，上述上极板为方形盘状，四周均布螺孔，用于与绝缘壳体固定；上极板边缘处倒角；上极板下表面开环形凹槽，用于固定金属环形压缩圈；金属环形压缩圈为环状，外沿均布梯形槽口；绝缘子为环形，其内外表面为波浪状，上述绝缘子上表面内边缘开环形凹槽，用于固定绝缘支撑片。

优选的，上述测量系统包括信号电阻、BNC接头和示波器，信号电阻由多个电阻并联而成，电阻一端与内阴极相连，另一端与环形外阴极相连，环形外阴极接地；BNC接头的输入端与内阴极相连，另一端通过同轴信号电缆与所述示波器信号端口相连；

从整体来看，上极板、金属环形压缩圈、电极连接结构、绝缘子和分裂阴极叠放在一起，通过螺钉与绝缘壳体紧固在一起。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量方法及装置，可以方便有效的测量不同间隙距离、工作系数、气压以及气体介质种类条件下间隙击穿所需满足的初始电子数目阈值，具有操作简单、工作范围广，可重复性强的特点；

2、本发明可应用于气体放电基础理论及应用研究；

3、从实验方法来看，激光斜向引入气体间隙，使得激光通道与电子运动方向错开，减弱了激光电离腔体中气体对实验的影响；

4、从放电腔体结构设计来看，阳极采用完整的阳极，保证了阴阳两极间的电场为均匀场；且整个放电腔体结构紧凑，拆装方便，间隙距离易于精准调节；

5、从实验仪器的参数选择来看，实验所用激光器脉宽为皮秒量级，与电子运动时间相比，此时间可忽略，因此初始电子可看作在一瞬间产生，确保通过激光产生的初始电子可以较为真实的反应实际放电中的初始电子；

6、从测量方法和步骤来看，实验在气压保持不变的条件下，通过给电子提供一个使其不增值的电压条件，进一步通过测量其运动电流来获得电子数目，该步骤方法使得测出的电子数目更为准确。

附图说明

图1是本发明一种气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量装置组成示意图；

图2是本发明一种气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量装置中放电腔的结构示意图；

图3是本发明一种气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量装置中放电腔中金属环形压缩圈的结构示意图

图4是本发明一种气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量装置中光路系统组成示意图；

图5为本发明实施例中电子数目随直流电压的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明装置包括高压直流电源2及其自动控制系统1、保护电阻3、放电腔4、测量系统5、充电电容6、激光器7、光路系统8、示波器9和回路电阻10。

自动控制系统1包括工控机与PLC控制器，其输出端与高压直流电源2输入端通过通信电缆相连，用以控制直流电源开断并调节输出电压幅值。高压直流电源2用于产生直流高电压，在较佳的实施例中，其输出电压范围为0～100kV，输出电流范围为0～10mA。高压直流电源2输出端与保护电阻3一端相连。保护电阻3用于保护高压直流电源2，在较佳的实施例中，其材料为陶瓷，阻值为1MΩ，使用时需浸泡在变压器油中。所述充电电容6一端与放电腔上极板11相连，另一端与回路电阻3相连，回路电阻3另一端接地。在较佳的实施例中，充电电容值为40nF，电压范围为0～100kV；回路电阻3为水电阻，溶液为硫酸铜，阻值为5Ω。

激光器7用于产生紫外脉冲激光。在较佳的实施例中，其输出激光的参数为：激光波长355nm，脉宽30ps，激光能量0～20mJ可调，能量抖动小于1％。

如图4所示，光路系统8包括半透半反镜片28，聚焦透镜29和激光能量计30。激光器7产生的激光入射到半透半反镜片28上并配分成两路，一路激光通过聚焦透镜29，并进一步的通过放电腔侧面的石英玻璃22，被聚焦在内阴极20表面；另一路激光射入到激光能量计30中，用于测量激光能量。在较佳的实施例中，聚焦透镜的材料为融蚀石英，焦距为40mm。

图2所示为放电腔4结构，放电腔4形状为长方体，包括上极板11、金属环形压缩圈12、绝缘壳体13、阳极17、电极连接部件(由上盖板14、筒形连接部件15以及绝缘支撑片16组成)、绝缘子18、分裂阴极(由内阴极20、环形外阴极19以及内外阴极之间的绝缘部件21组成)、石英玻璃22及其固定结构23、气嘴24和密封圈25，26，27。上极板11和分裂阴极外阴极19通过螺钉分别与绝缘壳体13相连并形成封闭腔体，并通过密封圈25密封。阳极17通过电极连接部件、金属环形压缩圈12与上极板11接触，并通过绝缘子18，与分裂阴极形成特定长度的间隙。放电腔体上极板11与保护电阻3另一端相连，分裂阴极中内阴极20与测量系统相连。

进一步的，绝缘壳体13也可以为长方体、筒形，在较佳的实施例中，其材料为有机玻璃或尼龙。绝缘壳体13相对的两个面上分别开孔，一个孔嵌入石英玻璃22，并通过固定结构23固定在绝缘壳体13上，用以通过激光。石英玻璃22与其固定结构23之间安装环形密封垫，用于保证放电腔体密封。在较佳的实施例中，石英玻璃22的材料为融蚀石英。另一个孔安装气嘴24，用于向放电腔体中充入气体介质；

更进一步的，上极板11为方形盘状，四周均布螺孔，用于与绝缘壳体13固定。上极板11边缘处倒角，以消除施加电压时在边缘处产生的电晕。此外，上极板11下表面开环形槽，用于固定金属环形压缩圈12。金属环形压缩圈12结构如图3所示，环状，其下沿均布梯形槽口，便于在压力下产生形变。在装配过程中，由于各部件加工的误差，会在上极板11与上盖板14间形成一定的缝隙，金属环形压缩圈12可通过自身形变消除误差影响，保证整个放电腔体结构压合紧密，不产生松动。在较佳的实施例中，上极板11材料为不锈钢或铝，金属环形压缩圈12材料为铝或其它质地较软的金属，上极板11边缘处倒角的半径为5mm。

更进一步的，阳极17为饼形，其上表面开螺纹孔，用于与筒形连接部件15固定，阳极17腰部开环形槽，绝缘支撑片16插入槽中被固定。在较佳的实施例中，阳极17的材料为不锈钢或铜，槽中均布3个绝缘支撑片。

更进一步的，绝缘子18为环形，其内外表面为波浪状，以防止绝缘子在施加电压过程中产生表面滑闪放电。绝缘子18上表面内边缘开环形槽，用于固定绝缘支撑片16。在较佳的实施例中，绝缘子18的材料为有机玻璃。此外，绝缘子18一侧需打孔，并在装配时将打孔处靠近石英玻璃，便于激光通过并射入到内阴极20表面。

更进一步的，电极连接部件包括上盖板14、筒形连接部件15和绝缘支撑片16。筒形连接部件15上、下表面内边缘均开环形槽，用于固定上盖板14和绝缘支撑片16，中部开螺孔，用于固定阳极17。上盖板14形状为扁圆柱形，其直径小于筒形连接部件15上表面环形槽直径，保证上盖板15可以安放于槽中。绝缘支撑片16形状为扇形。在较佳的实施例中，上盖板14和柱形连接结构15的材料为不锈钢或铜，绝缘支撑片16的材料为有机玻璃或尼龙。高压直流电源2产生的直流高压通过上极板11和电极连接部件施加到阳极17上，并在两电极之间形成均匀电场。

更进一步的，通过更换不同厚度的上盖板14和绝缘子18，在保持其他部件不变的条件下，便可调整两电极之间的间隙距离。间隙距离可通过游标卡尺测量。

更进一步的，分裂阴极由内阴极20、环形外阴极19以及内外阴极之间的绝缘部件21所组成。内阴极为扁圆柱形，下表面均布螺孔，通过螺钉固定在绝缘部件21上，绝缘部件21通过螺钉与环形外阴极19连接。内阴极20、环形外阴极19以及绝缘部件21之间通过密封圈26、27使三个结构之间密封。在较佳的实施例中，内阴极20和环形外阴极19的材料为不锈钢，绝缘部件21的材料为有机玻璃或其它硬质绝缘材料，以保证密封圈压合紧密而自身不发生形变。内阴极20与环形外阴极19之间的距离为0.1mm，以减弱对阴极附近电场的畸变。

更进一步的，从整体来看，上极板11、金属环形压缩圈12、电极连接部件、绝缘子18和分裂阴极叠放在一起，通过螺钉与绝缘壳体13紧固在一起。

所述测量系统包括信号电阻和BNC接头，信号电阻由多个电阻并联而成，电阻一端内阴极20相连，另一端与环形外阴极19相连，且环形外阴极19接地。BNC接头的输入端与内阴极20相连，另一端通过同轴信号电缆与示波器9信号端口相连。在较佳的实施例中，信号电阻由6个阻值为300Ω金属膜电阻并联而成，BNC接头和同轴信号电缆阻抗均为50Ω，以保证阻抗匹配。

在上述装置基础上，可通过以下具体的实验方法和步骤，获得间隙击穿初始电子数目阈值。

一种气体间隙击穿初始电子数目阈值的测量方法，激光器7产生脉冲激光并通过光路系统8聚焦在与内阴极20表面，激光与电极通过光电效应产生初始电子，通过改变激光器7输出能量来改变初始电子的数目。逐渐增加激光能量使得气体间隙临界击穿，则此时该能量激光所产生的电子数目便可看作间隙击穿阈值。将此时的电子施加到一个使其数目保持恒定的电场中并通过测量系统5和示波器9测量其运动产生的电流，对电流积分便可得出间隙击穿的初始电子数目阈值。

进一步的，通过调节气体间隙的工作系数、间隙距离、气压以及气体介质，可以获得不同条件下气体间隙击穿所需满足的初始电子数目阈值，并获得上述参数对该阈值的影响。

其具体步骤包括：

步骤1：调节气体间隙阴极20与阳极17之间的距离，达到所需值；

步骤2：通过气嘴24向放电腔中充入一定压强、种类的气体介质；

步骤3：高压直流电源2给气体间隙阳极17施加一定工作系数的直流电压；

步骤4：激光器7产生脉冲激光，脉冲激光通过聚焦透镜29并被聚焦在内阴极20中心表面；调整放电腔位置，使得聚焦后光斑的直径小于1mm。

步骤5：逐渐增加脉冲激光能量，使得气体间隙临界击穿，并用激光能量计20测量此时的激光能量。

步骤6：将上述能量的脉冲激光继续聚焦在内阴极20中心表面，降低施加在阳极17的直流电压的幅值，在保证气体间隙不击穿的条件下，通过测量系统5和示波器9测量此时的电流；

步骤7：利用波形处理软件(Origin9.1)对步骤6中得到的电流波形进行积分，得到总电荷量Q(单位为库仑，C)，通过公式

n＝Q/e₀

得到电子数目n。其中e₀为元电荷带电量，其值为1.6*10^-19C。

步骤8：改变施加在阳极直流电压的幅值，重复步骤6～7，得到不同直流电压所对应的初始电子数目，并以直流电压为横轴，初始电子数目为纵轴，得到初始电子数目随直流电压的变化曲线；在一个实施例中，初始电子数目随直流电压的变化曲线如图5所示，可以看出，随着电压的升高，初始电子数目将依次表现为缓慢增长、保持不变和快速增长，其中初始电子数目保持不变时的电压即为使其不增殖时的电压，如图5中12kV、13kV，此时的电子数目便是间隙击穿初始电子数目阈值。

通过上述步骤，便可得出在特定工作系数、气压、电极间隙距离和气体介质下间隙击穿初始电子数目阈值。通过改变上述宏观条件，便可得到不同工作系数、气压、电极间隙距离和气体介质条件下的间隙击穿所需满足的初始电子数目阈值。

综上所述，本发明可以方便、准确的获得不同工作系数、气压、电极间隙距离和气体介质条件下的间隙击穿初始电子数目阈值，可应用于气体放电基础理论及应用方面的研究。需要说明的是，以上内容仅为说明本发明的技术思想，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。凡按本发明提出的技术思想，在技术方案的基础上做出的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体间隙击穿阈值的测量方法，其特征在于：

1)脉冲激光聚焦在阴极中心表面产生初始电子；

2)逐渐增加激光能量使得气体间隙临界击穿，则此时所产生的初始电子数目便视为气体间隙击穿的阈值；

3)将此时的初始电子施加到一个使其不增殖的电压条件下并测量电子运动产生的电流；

4)对电流积分便可得出间隙击穿的初始电子数目阈值。

2.根据权利要求1所述的气体间隙击穿阈值的测量方法，其特征在于：还包括以下步骤：调节气体间隙的工作系数、间隙距离、气压以及气体介质种类，获得不同条件下气体间隙击穿所需满足的初始电子数目阈值，并获得上述参数对该阈值的影响。

3.根据权利要求1所述的气体间隙击穿阈值的测量方法，其特征在于：

所述步骤1)中的脉冲激光是斜向聚焦在阴极中心表面。

4.一种放电腔，其特征在于：包括绝缘壳体、与绝缘壳体上端面可拆卸连接的上极板、位于绝缘壳体内且与上极板接触的电极连接部件、与电极连接部件可拆卸连接的阳极、与绝缘壳体下端面可拆卸连接的分裂阴极、设置于电极连接部件与分裂阴极之间的带开孔的绝缘子、设置于绝缘壳体侧壁上的气嘴及石英玻璃；

所述上极板的下表面与电极连接部件之间设置有金属环形压圈；

所述上极板、绝缘壳体、分裂阴极组成封闭腔体。

5.一种气体间隙击穿阈值的测量装置，其特征在于：包括电源系统、放电腔、测量系统、激光器与光路系统；

所述放电腔包括绝缘壳体、与绝缘壳体上端面可拆卸连接的上极板、位于绝缘壳体内且与上极板接触的电极连接部件、与电极连接部件可拆卸连接的阳极、与绝缘壳体下端面可拆卸连接的分裂阴极、设置于电极连接部件与分裂阴极之间的带开孔的绝缘子、设置于绝缘壳体侧壁上的气嘴及石英玻璃；

所述上极板的下表面与电极连接部件之间设置有金属环形压圈；

所述上极板、绝缘壳体、分裂阴极组成封闭腔体；

所述上极板与电源系统连接，所述分裂阴极与测量系统连接；还包括回路电容、回路电阻，所述放电腔、回路电容、回路电阻及测量系统构成回路；回路电容的一端与放电腔的上极板相连，另一端与回路电阻相连，回路电阻的另一端接地；

所述光路系统包括半透半反镜片及位于半透半反镜片反射光路上的激光能量计，一路激光透过半透半反镜片后再通过石英玻璃与绝缘子的开孔被聚焦在分裂阴极表面，另一路激光反射入激光能量计中；

所述激光器产生皮秒级脉宽的紫外脉冲激光。

6.根据权利要求5所述的气体间隙击穿阈值的测量装置，其特征在于：所述电极连接部件包括上盖板、筒形连接部件及绝缘支撑片；所述筒形连接部件上下表面内边缘均开环形凹槽，分别用于固定上盖板和绝缘支撑片；所述阳极与筒形连接部件的底部可拆卸连接，所述绝缘支撑片用于固定阳极；所述激光器的波长为355nm。

7.根据权利要求6所述的气体间隙击穿阈值的测量装置，其特征在于：所述阳极为饼形，所述阳极上表面开螺纹孔，用于与电极连接部件固定；所述阳极腰部开槽，用于嵌套绝缘支撑片。

8.根据权利要求5所述的气体间隙击穿阈值的测量装置，其特征在于：所述分裂阴极由内阴极、环形外阴极以及位于内阴极与环形外阴极之间的绝缘部件组成，所述内阴极可拆卸的固定在绝缘部件上，所述绝缘部件与环形外阴极可拆卸连接。

9.根据权利要求5所述的气体间隙击穿阈值的测量装置，其特征在于：所述上极板为方形盘状，四周均布螺孔，用于与绝缘壳体固定；上极板边缘处倒角；上极板下表面开环形凹槽，用于固定金属环形压缩圈；金属环形压缩圈为环状，外沿均布梯形槽口；绝缘子为环形，其内外表面为波浪状；所述绝缘子上表面内边缘开环形凹槽，用于固定绝缘支撑片。

10.根据权利要求5所述的气体间隙击穿阈值的测量装置，其特征在于：所述测量系统包括信号电阻、BNC接头和示波器，信号电阻由多个电阻并联而成，电阻一端与内阴极相连，另一端与环形外阴极相连，环形外阴极接地；BNC接头的输入端与内阴极相连，另一端通过同轴信号电缆与所述示波器信号端口相连。