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氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿過程的光學(xué)測量實驗研究
（論文部分內(nèi)容摘抄）
高功率脈沖技術(shù)中，開關(guān)技術(shù)具有特殊重要的地位.它不僅決定了脈沖功率裝置的輸出特性，甚至是脈沖功率系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵.具有耐受電壓高、導(dǎo)通電流大、擊穿時延短、抖動小、電感和電阻小、電極燒損小等不同性能的各種類型開關(guān)的研制,是脈沖功率技術(shù)中的重要研究內(nèi)容.氣體觸發(fā)開關(guān)是利用氣體擊穿特性工作的開關(guān),因為其結(jié)構(gòu)簡單、容易操作等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。超高速像機已廣泛應(yīng)用于科學(xué)和民用科學(xué)領(lǐng)域,可在納秒量級內(nèi)記錄開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程，是研究氣體開關(guān)擊穿過程的重要光學(xué)測量手段。
實驗設(shè)計及理論模擬
實驗系統(tǒng)主要由氣體觸發(fā)開關(guān)和超高速相機兩大部分組成。
本實驗室使用德國 Excelitas PCO 公司 HSFC-PRO超高速相機 。該超高速相機有4個MCP(微通道板)像增強器模塊,短曝光時間3ns,可在1ns幀間隔時間下,超高速記錄4張滿幅影像像素1280x1024,12Bit動態(tài)存儲范圍.相機有電觸發(fā)和光觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，電觸發(fā)需通過TTL電平(5V)的上升沿觸發(fā)，觸發(fā)脈沖上升時間必須小于20ns.實驗裝置布局見圖1.超高速相機直接對準(zhǔn)氣體觸發(fā)開關(guān)電極進行拍照.由圖2,從氣體觸發(fā)開關(guān)負載上經(jīng)電容分壓器后提取的電觸發(fā)信號電壓4V、上升沿約為20ns，符合相機外部電觸發(fā)要求,可以進行光學(xué)測量實驗. 選擇單曝光模式,4個通道的延遲時間分別設(shè)置為0，8ns，16ns,24ns(即每個通道隔8ns開始拍照)曝光時間均設(shè)置為8ns,相機記錄了0到32ns連續(xù)時間段內(nèi)氣體觸發(fā)開關(guān)的擊穿導(dǎo)通過程.圖3是單曝光模式下氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通照片，從相機通道1所拍攝照片中可以看到觸發(fā)電極與正電極首先擊穿導(dǎo)通有放電火花產(chǎn)生,這是由于觸發(fā)極與正電極之間電壓為6kV.而觸發(fā)極與負電極之間電壓為4kV,故觸發(fā)極與正電極先導(dǎo)通.8ns后通道2所拍攝照片可看到觸發(fā)極與正電極間的放電火花增強,并且觸發(fā)極與負電極開始擊穿導(dǎo)通,有比較弱的放電火花產(chǎn)生.16ns,24ns后通道的照片中觸發(fā)極與負電極間的放電火花相對與照片2明顯依次增強,并且通道4照片中觸發(fā)極與正負電極間的放電火花強度基本一致,證明此氣體觸發(fā)開關(guān)在24ns后正負電極已完全擊穿導(dǎo)通。
選擇雙曝光模式，即每個通道曝光兩次，可拍攝八幅照片，設(shè)置八幅照片的時間延遲依次為1.5us,曝光時間均為20ns.如圖所示,實驗拍攝得到氣體觸發(fā)開關(guān)10.5us內(nèi)擊穿導(dǎo)通過程的8幅照片,4幅照片為四通道曝光的照片，第二行4幅照片為第二次曝光的照片,每一列的兩幅照片為同一通道所拍攝.由實驗照片所示,0至4.5us時間內(nèi)正負電極之間放電火花依次明顯增強,而6至10.5μs內(nèi)放電火花依次減弱，到10.5us時放電火花**弱,氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程基本結(jié)束.實驗證明該開關(guān)導(dǎo)通過程持。
pco.dicam超高速相機存在無法消除的48ns系統(tǒng)延遲時間，實驗中由觸發(fā)開關(guān)的觸發(fā)極引出相機電觸發(fā)信號，當(dāng)開關(guān)開始擊穿后48ns相機才開始拍攝第幅照片,相機無法與開關(guān)保持同步工作.另外,實驗中我們從開關(guān)的負載上引入相機的外部電觸發(fā)信號當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通后負載上的電壓才使相機觸發(fā)拍照,不能觀察到開關(guān)開始擊穿導(dǎo)通時刻的放電現(xiàn)象.后續(xù)實驗中我們擬使用時間延遲發(fā)生器,輸出兩路觸發(fā)信號一路信號觸發(fā)氣體開關(guān),一路信號提前48ns觸發(fā)超高速相機，這樣才能使相機真正保持與開關(guān)同步觸發(fā)，拍攝到擊穿導(dǎo)通起始時刻的放電火花照片，深入研究其物理現(xiàn)象。
本文采用光學(xué)測量方法研究氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程.由超高速相機所得到的納妙量級和微妙量級開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程圖像可以看出,氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿過程可分為兩個階段,實驗結(jié)果與靜電場模擬結(jié)果相符合，并且擊穿過程持續(xù)時間在11.5us以上。
實驗證明光學(xué)測量方法是研究高壓開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程的有效手段。本實驗為進一步研究高壓開關(guān)擊穿過程打下了一定的理論和實驗基礎(chǔ)。
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