《納秒脈衝放電過程中氣體火花開關電極熔蝕機理研究》是依託西安交通大學，由劉軒東擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納秒脈衝放電過程中氣體火花開關電極熔蝕機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉軒東
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以FLTD為代表的快Z箍縮脈衝源具有廣闊套用前景，其快速發展對氣體開關提出了苛刻的技術要求。本項目針對電極熔蝕嚴重製約目前氣體火花開關可靠性和使用壽命的問題，圍繞納秒脈衝放電過程中電極熔蝕機理開展研究。項目通過電極材料加熱熱源分析與電弧觸點區域溫度的多光譜輻射法測量，建立區域熱平衡方程，結合熱量積聚與傳導，研究電極材料的相變過程。利用高速分幅相機研究電極材料移出形式與蝕坑形成過程，獲得脈衝參數、轉移電荷量等因素對電極熔蝕特性的影響規律，掌握材料移出和蝕坑形成機理，提出電極材料移出量與蝕坑深度的估算方法。通過研究蝕坑形態及分布特性，提出電極表面區域離散化處理方法和蝕坑在各離散化區域出現機率的估計方法，建立電極表面狀態估算模型，掌握放電次數對電極表面狀態的影響規律。項目研究結果可較為全面地掌握納秒脈衝放電過程中的電極熔蝕機理，為氣體火花開關設計和評估提供理論支持，具有很好的科學意義和套用價值。
結題摘要
氣體火花開關具有通流大、結構簡單、方便維護等優點，特定條件下其觸發抖動低達亞納秒量級，極有潛力滿足大型脈衝功率裝置同步性與可靠性的要求，然而，氣體火花開關面臨電極熔蝕問題，會造成開關電極形貌和性能參數劣化、壽命縮短，是制約脈衝功率技術發展的瓶頸。 本項目針對納秒脈衝作用下的氣體開關電極熔蝕問題開展研究，搭建了緊湊型RLC放電迴路和觸發迴路，產生波形可調的納秒脈衝電流，設計了三電極場畸變氣體火花開關，研製了折帶式分流器（變比為13.2mV/A）和電阻分壓器（變比為19500）以分別測量放電電流和觸發脈衝。採用雷射共聚焦顯微鏡研究蝕坑形貌，採用精密分析天平測量電極質量損失，此外，利用高速分幅相機和光譜儀測量通道根部的形態和發射光譜以分析電極熔蝕過程中弧足附近的電流密度和電子溫度。 項目研究了電流幅值、上升時間和阻尼係數等對蝕坑深度、表面粗糙度和電極質量損失的影響，研究表明：隨著脈衝電流幅值增大，電極表面平均粗糙度線性增大，電極質量損失以冪指數形式增大；電流幅值一定時，隨著上升時間和脈衝寬度減小，電極材料移除方式發生變化，上升時間＞70ns時，電極材料以氣態和液態兩種方式移除，電極質量損失率幾乎不變；上升時間＜46ns時，電極材料以氣態移除，電極質量損失率急劇減小。 弧足對電極表面熱量傳遞和力作用的研究表明，數十千安的納秒脈衝作用下，電極表面的受力以粒子轟擊壓力為主，可達MPa量級，液化層臨界厚度為1~3μm左右；熔蝕熱源密度達1011W/m2量級。研究了電極材料的相變和移除過程，建立了氣體火花開關電極熔蝕過程的仿真計算模型，該模型可計算電極表面物態和溫度分布，獲得蝕坑深度和電極質量損失。仿真研究了陰、陽極材料移除模式對電極熔蝕特性的影響，結果表明，隨著納秒脈衝上升時間減小，電極表面溫度梯度增大，相變過程僅發生在電極表層，液化層很薄，電極材料僅發生劇烈汽化；隨著上升時間增長，溫度梯度減小，液化層變厚並在外力驅使下移除，蝕坑深度和電極質量損失率急劇增大。 此外，本項目還研究了多次放電過程中蝕坑的疊加和發展過程，獲得了蝕坑落點分布的機率密度函式，建立了電極表面粗糙度計算模型，研究了蝕坑發展對電極表面粗糙度和開關性能參數的影響。對深入理解納秒脈衝下電極熔蝕機理和氣體開關的設計與套用均具有很好的意義。
