本實(shí)驗(yàn)采用持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)、放電電流為100 A~300 A 的單脈沖電源形式，設(shè)計(jì)了三種不同錐角的鋁電極。通過(guò)朗繆爾探針?lè)�測(cè)量放電生成的等離子體相關(guān)參數(shù)，討論了電極錐角對(duì)真空沿面放電等離子體生成特性的影響。由于爬距相同時(shí)沿面放電的路徑具有不確定性，導(dǎo)致探針?lè)�無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得等離子體參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用OPT101 光電轉(zhuǎn)化芯片對(duì)真空沿面放電瞬間的電弧發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)雙縫法對(duì)放電路徑進(jìn)行了篩選，從而保證探針?lè)�測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陰極錐角越小，陰極三結(jié)合點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度越大，越容易發(fā)生沿面放電;陰極三結(jié)合點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度越大、陰極三結(jié)合點(diǎn)的分布范圍越大，沿面放電得到的主放電電流越大，最終測(cè)得的等離子體密度也越大。

　　目前有關(guān)真空沿面閃絡(luò)發(fā)生機(jī)理的解釋主要有以下兩種假說(shuō)：①二次電子崩假說(shuō)(SEEA)②極化松弛理論(ETPR)，其中二次電子崩假說(shuō)得到了大多數(shù)研究真空沿面放電的學(xué)者的認(rèn)同。它的基本內(nèi)容是，由于電極與絕緣體接觸時(shí)會(huì)存在微小間隙，從而導(dǎo)致陰極三結(jié)合點(diǎn)處(電極、絕緣體、真空介質(zhì)三者的交界點(diǎn))的局部場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生畸變，電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于其他位置的電場(chǎng)強(qiáng)度，會(huì)在陰極三結(jié)合點(diǎn)處產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)致發(fā)射的初始電子。初始電子碰撞絕緣體會(huì)產(chǎn)生二次電子，二次電子又撞擊絕緣體表面，致使更多的電子從絕緣體內(nèi)發(fā)射出來(lái)，進(jìn)而發(fā)展成二次電子崩。由于絕緣體表面存在吸附氣體，電子碰撞絕緣體會(huì)引發(fā)氣體的解吸附，致使絕緣體表面的局部氣壓升高。在高場(chǎng)強(qiáng)作用下絕緣體表面氣體發(fā)生電離，沿面閃絡(luò)形成。

　　根據(jù)二次電子崩假說(shuō)，陰極三結(jié)合點(diǎn)處微小縫隙引起局部場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，導(dǎo)致初始電子的發(fā)射。電極結(jié)構(gòu)的改變可以在一定程度上影響陰極三結(jié)合點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度以及陰極三結(jié)合點(diǎn)的分布范圍。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)不同錐角的電極結(jié)構(gòu)來(lái)改變陰極三結(jié)合點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，討論電極錐角對(duì)真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

1、實(shí)驗(yàn)裝置

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種不同錐角的鋁電極結(jié)構(gòu)作為陰極，分別是錐角為60°的圓錐形電極，錐角為120°的圓錐形電極，錐角為180°的平板電極，三種電極結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)所用陽(yáng)極均為直徑10 mm，高度25 mm 的圓柱形平板鋼電極。

圖6 三種不同錐角的電極結(jié)構(gòu)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用的絕緣體是高度為5 mm，直徑為10 mm 的圓柱形聚四氟乙烯。電極布置如圖7 所示，在實(shí)驗(yàn)中絕緣體放置在陰極和陽(yáng)極之間并與之接觸，同時(shí)保證陰極與絕緣體的接觸點(diǎn)(或者接觸面)為柱形絕緣體的圓心(或者接觸面的圓心與柱形絕緣體的圓心重合)。

圖7 沿面放電電極布置圖

　　實(shí)驗(yàn)采用持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)、電流為100A~300A的單脈沖電源形式，電源電壓幅值在10 kV~30 kV之間內(nèi)可調(diào)。放電過(guò)程中的電流、電壓波形如圖8 所示。

圖8 放電電流、電壓波形

2.1、不同錐角的電極結(jié)構(gòu)下真空沿面放電等離子體的生成特性分析

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2.2、電場(chǎng)仿真

　　應(yīng)用Ansoft Maxwell 3DR 對(duì)三種錐角的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場(chǎng)仿真，并觀察了沿直線L1 的電場(chǎng)分布情況(其中L1 為聚四氟圓柱上表面直徑所在直線)。仿真過(guò)程中在陰極施加- 12 kV 的電壓激勵(lì)，陽(yáng)極保持接地，仿真結(jié)果如圖10 所示。通過(guò)仿真結(jié)果可知，陰極三結(jié)合點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于電極間其他位置的電場(chǎng)強(qiáng)度，且電極錐角越大，陰極三結(jié)合點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度越小。由圖11 可知，可以看出在陰極尖端的兩側(cè)分布有兩個(gè)電場(chǎng)最強(qiáng)點(diǎn)。它們的電場(chǎng)強(qiáng)度值大于陰極尖端處的場(chǎng)強(qiáng)值，此即為放電過(guò)程中的陰極三結(jié)合點(diǎn)。

圖10 三種不同錐角電極的電場(chǎng)分布

圖11 錐角60°電極下沿L1 的電場(chǎng)分布

2.3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

　　由二次電子崩假說(shuō)，陰極三結(jié)合點(diǎn)是真空沿面放電過(guò)程的起點(diǎn)。陰極三結(jié)合點(diǎn)處由于局部場(chǎng)強(qiáng)畸變發(fā)生場(chǎng)致發(fā)射產(chǎn)生初始電子，初始電子碰撞絕緣體形成二次電子崩進(jìn)而發(fā)生沿面放電。所以，陰極三結(jié)合點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度越大的電極更容易產(chǎn)生初始電子，沿面放電也就更容易發(fā)生，擊穿電壓也就越低。

　　陰極三結(jié)合點(diǎn)處會(huì)由于強(qiáng)場(chǎng)致發(fā)射產(chǎn)生初始電子，初始電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中撞擊絕緣體表面時(shí)產(chǎn)生二次電子，同時(shí)會(huì)在絕緣體表面留下正離子，這些正離子會(huì)使陰極三結(jié)合點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，致使更多的電子從陰極三結(jié)合點(diǎn)處場(chǎng)致發(fā)射出來(lái)，繼續(xù)碰撞絕緣體表面形成二次電子。由電場(chǎng)仿真結(jié)果可知，錐角60°電極的陰極三結(jié)合點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，所以正離子對(duì)其增強(qiáng)作用就更加明顯，從陰極三結(jié)合點(diǎn)處場(chǎng)致發(fā)射出的電子就會(huì)更多，放電過(guò)程中得到的電子流(放電電流)就越大，測(cè)得的等離子體密度也就越大。

　　對(duì)于錐角為120°的電極和錐角為180°的電極，由電場(chǎng)仿真可以看出，錐角120°的電極陰極三結(jié)合點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度略大，但兩者相差并不明顯。陰極三結(jié)合點(diǎn)是真空沿面放電的薄弱之處，陰極三結(jié)合點(diǎn)的分布范圍越大，意味著放電過(guò)程中就有更多的薄弱點(diǎn)存在。由于錐角120°的電極與絕緣體接觸的范圍是一個(gè)點(diǎn)，而錐角180°的電極與絕緣體接觸的范圍為圓形面，所以錐角180°電極的陰極三結(jié)合點(diǎn)分布范圍更大，從而導(dǎo)致有更多引發(fā)場(chǎng)致電子發(fā)射的薄弱點(diǎn)產(chǎn)生，使有更多的場(chǎng)致發(fā)射電子參與電子倍增過(guò)程。所以錐角180°的電極放電時(shí)得到的主放電電流較大，測(cè)得的等離子體密度也較大。

3、結(jié)論

　　本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了錐角不同的三種電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)在真空實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，討論了電極錐角對(duì)真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

　　(1) 陰極三結(jié)合點(diǎn)是沿面放電的起始點(diǎn)，陰極三結(jié)合點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于電極間其他位置的電場(chǎng)強(qiáng)度。在真空沿面放電過(guò)程中，當(dāng)陰極為錐形時(shí)，陰極三結(jié)合點(diǎn)(場(chǎng)強(qiáng)分布最強(qiáng)點(diǎn))分布在陰極錐的兩端。

　　(2) 錐角越小的電極，擊穿電壓越低，越容易發(fā)生沿面閃絡(luò)放電。

　　(3) 錐角越小的電極，陰極三結(jié)合點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度越大，放電過(guò)程中得到的主放電電流較大，最終測(cè)得的等離子體密度也較大。

　　(4) 真空沿面放電時(shí)陰極三結(jié)合點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度相差并不明顯時(shí)，陰極三結(jié)合點(diǎn)的分布范圍越大，主放電電流越大，測(cè)得的等離子體密度也越大。