《基於光學診斷技術的微米尺度氣體脈衝擊穿特性研究》是依託西安交通大學，由孟國棟擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於光學診斷技術的微米尺度氣體脈衝擊穿特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：孟國棟
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
針對新一代電氣裝備和微電子器件中所涉及的極端高場強下微納尺度介電系統絕緣性能問題，以認識和理解微米尺度氣體脈衝擊穿物理機制為目標，採用具有微米級空間解析度和納秒級時間解析度的擊穿過程光學診斷技術，開展不同氣隙距離（1μm~20μm）、氣體氛圍（氮氣、氬氣）、電極結構（針-板、板-板）擊穿過程光學成像和光譜特性的時間和空間特性研究。以測試放電擊穿電壓、電流為基礎，利用光學成像技術研究納秒脈衝下微米尺度擊穿過程不同階段的光學圖像，得到微米尺度擊穿起始、發展以及放電電漿形貌等空間分布特性以及擊穿時延特性；利用發射光譜診斷技術研究擊穿過程原子分子特徵譜線，分析微米尺度擊穿過程中電子發射、電離、複合以及電子倍增等物理過程；基於PIC-MCC方法模擬微米尺度脈衝擊穿帶電粒子的變化規律。通過以上研究，建立納秒脈衝作用下微米尺度擊穿物理模型，以期豐富與發展微米尺度的氣體放電擊穿理論。
結題摘要
電力設備和微電子器件物理尺度的不斷降低對其電氣絕緣性能帶來了嚴峻的挑戰，因此認識和理解微納尺度介電系統的擊穿特性具有重要的意義。針對微米尺度氣體脈衝擊穿機制這一關鍵科學問題，本項目採用了原位實驗研究和數值仿真計算相結合的方法，設計並建立了一套具有微米級空間解析度和納秒級時間解析度的原位電-光實驗系統，系統研究了微米尺度範圍（1μm~20μm）的氣體擊穿特性及其影響規律，原位分析了其擊穿通道特性和擊穿動態發展過程，同時基於PIC/MCC方法建立了微米尺度擊穿的二維仿真模型，探索了微米尺度擊穿的起始、發展等過程的帶電粒子演變特性，建立了微米尺度氣體擊穿的物理模型。得到的主要結論如下：（1）通過高倍率光學顯微鏡與高速ICCD相機等先進光學設備相結合，建立了一套國際領先的微米尺度擊穿的原位電-光實驗系統，該系統能夠進行納秒級瞬態擊穿過程的光學成像，空間解析度為1μm，時間解析度為2ns，可實現對最小為1μm的間隙擊穿發展過程的時空演變特性的原位測量和分析。（2）通過比較和分析陰極曲率半徑、電極結構、工作氣體類型、氣體壓力等對微米尺度氣體擊穿的影響規律，發現微米間隙中電場強度分布特性對擊穿電壓閾值具有重要影響；發現當間隙寬度減小到與電子平均自由程相當時，帶電粒子的碰撞機率會大大減小，而場致電子發射機制會更加顯著，氣體擊穿特性與真空擊穿類似。（3）首次得到了微米尺度擊穿通道的變化規律和和擊穿不同階段的光學特徵演變特性，並提出了在微米尺度範圍氣體擊穿的物理機制：（a）1≤d≤5μm時，擊穿閾值隨間距增大近似線性增大，擊穿由陰極向陽極發展，場致電子發射占主導；（b）510μm時，擊穿閾值隨間距的增大而增大，符合經典巴申定律，擊穿沿著最短路徑按直線發展，湯遜雪崩機制占主導。
