研究電極錐角對真空沿面放電等離子體特性的真空裝置介紹

2013-04-07 王浩北京交通大學，電氣工程學院

　　本實驗通過設計不同錐角的電極結構來改變陰極三結合點處的電場強度，討論電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

實驗裝置

　　圖1 為本實驗所采用的真空實驗裝置圖。實驗裝置主要由真空系統(tǒng)、主放電電路、測量系統(tǒng)等部分組成。實驗過程中真空室內(nèi)的氣壓維持在10^-4 Pa。

真空放電實驗裝置

圖1 真空放電實驗裝置

1、真空系統(tǒng)

　　真空系統(tǒng)主要由真空室、油封式機械泵、油擴散泵、復合真空計等構成。真空室內(nèi)裝有陰極、陽極，電極可在豎直平面實現(xiàn)0°~180°的旋轉。真空設備油封式機械泵型號為2X- 8 型，排氣速率為8 L/s。油擴散泵型號為K- 150 型，排氣速率為800 L/s。復合真空計型號為ZDF- 5277B，該真空計采用3 路測量，一路ZJ- 52T 低真空規(guī)管和一路ZJ- 27 高真空規(guī)管安裝在一個測量點作為復合測量，另一路ZJ- 52T 低真空規(guī)管單獨測量，有效測量范圍為3.0×10³ Pa~1.0×10^-5 Pa。

2、主放電回路

　　本實驗放電電路采用倍壓電路的形式，主放電電路如圖2 所示。220 V交流經(jīng)過整流倍壓電路給電容C2 充電，在某一時刻給球間隙施加一個觸發(fā)信號后，球隙開關擊穿，電容C2 左端瞬間接地成為零電位，而由于電容兩端的電壓不能突變，所以在電容右端即出現(xiàn)一個負高壓，這個負高壓即加在真空室內(nèi)的陰極上，引起真空室內(nèi)的絕緣體表面發(fā)生沿面放電。

真空沿面放電實驗主放電電路

圖2 真空沿面放電實驗主放電電路

3、測量系統(tǒng)

3.1 探針法測量

　　如圖3 所示，在放電電極后設置有兩個探針P1 和P2，P1 距離放電電極的距離為100 mm，P1和P2 相距15 mm。真空沿面放電發(fā)生后，放電產(chǎn)生的等離子體四處擴散，部分等離子體進入到測量空間內(nèi)，在探針P1 和P2 的周圍形成等離子體鞘層。改變探針電壓Vp1 和Vp2 的值，可以測得不同探針電壓下電子電流值。將實驗測得的飽和電子電流值與探針電壓繪制成V- I 特性曲線，根據(jù)朗繆爾探針法的計算公式求得放電產(chǎn)生等離子體的密度、電子溫度、空間電位等^[⁶^~⁷^]。

探針法測量裝置

　　圖3 探針法測量裝置

3.2 光強測量

　　實驗采用OPT101 光電轉化芯片對真空沿面放電瞬間的電弧發(fā)光特性進行測量。選取0.1 MΩ，CEXT 選取33 pF。

OPT101 芯片的外圍電路

圖4 OPT101 芯片的外圍電路

　　由于圓錐形陰極尖端與絕緣體的圓心接觸，發(fā)生沿面放電時在各個方向上的爬距都是相同的，這就導致了實驗中沿面放電的路徑具有不確定性。當放電路徑為背離探針方向時，探針上得到的電子電流很小，很難應用探針法測到實驗數(shù)據(jù);當放電路徑為朝向探針方向時，探針上得到的電子電流很大，可能會超過測量量程致使無法得到數(shù)據(jù)。這樣就會使探針法測得的等離子體參數(shù)與真實結果偏差很大。實驗中采用“雙縫法”對放電路徑進行了篩選，保證了采用朗繆爾探針法測量等離子體參數(shù)時數(shù)據(jù)的可靠性。

　　“雙縫法”的原理如圖5 所示，在光強測量設備之前放置一個紙盒，前后正對處各開有一個2 mm寬，5 mm 長縫隙，縫隙正對OPT101 的鏡頭。雙縫可以唯一確定一條路徑，使有且僅有該路徑上的光可以透過雙縫進入光強測量設備。選取在該路徑上放電時探針上得到的電子電流作為測量等離子體參數(shù)的數(shù)據(jù)。

“雙縫法”光強測量原理