粗糙阴极气体火花开关性能的理论研究

电子崩 的发 展符 合 Ｔ ｗｎ ｅ ｄ理论 ；２ 区域 每个 种 子 电 子 引发 开关 击 穿 的概 率 相 等 ， 它 位 置 的电子 引发 ｏ ｓｎ （） 其 开关击 穿 的贡献 可忽 略 。事 实上 ， ， 忌 分别对 应 阴极粗 糙度 的形 状特 征参 数和 高度特 征参数 。 由于 《 ， 开关 电压 的上 升时 间 内 ， 在 区域 的 电子崩 足 以充 分发 展 ， 上 面 的假设 下 ， 在 设单 位时 间 内场 致 发射 的 电子数 为 ａ ａ为 比例系 数 。由 Ｔ ｗｎ ｅ ｄ理论 ， 电子崩发 展 到 区域 边界 时 ， 含 电子数为 ［ Ｅ， ｏ ｓｎ 当 所 ６ ］
对 于 阴极 粗糙 的火 花开 关 而言 ， 阴极 毛刺 尖端 场 强Байду номын сангаас 过 间 隙平
均 场强 两个数 量级 ［ ， 致发射 将 引起 阴极表 面 区域 电子崩 的形 成 ， ６场 ］ 但 随着 远离毛 刺 ， 场强减 弱 ， 电子 崩将 停 止 发展 ， 不 能 引起 开关 击 并 穿， 仅使 阴极表 面 电子数 密 度 远 大于 其 它位 置 的电 子数 密 度 。结 合 分 析 ， 们提 出高气 压 、 糙 电极情 况 火 花 隙开 关 击 穿 的物 理 模 型 ， 我 粗
摘 要 ： 提 出 了 粗 糙 阴极 的气 体 火 花 开 关 击 穿 模 型 ， 过 粗 糙 层 厚 度 和 场 强增 强 系 数对 阴极 粗糙 度进 行 通 了描 述 ， 用 概 率 论 研 究 开 关 的 击 穿 情 况 ， 析 了气 体压 强 对 粗 糙 阴 极 气 体 火 花 开 关 稳 定 性 、 穿 场 强 随 气 压 利 分 击 的变 化 曲线 以及 开 关 绝 缘 恢 复速 度 的 影 响 ， 究 发 现 当 阴极 相 对 于 电子 平 均 自由程 足 够 粗 糙 时 ， 关 具 有 最 佳 研 开 的稳 定 性 ，当 阴 极 粗 糙 结 构 尺 度 与 电子 平 均 自 由程 相 当时 ， 开关 具有 最佳 的绝 缘 恢 复特 性 。 关 键 词 ： 气 体 火 花 开 关 ； 粗 糙 度 ； 击 穿 概 率 ； 稳 定 性 ； 重 复 频 率 特 性
中 图分 类 号 ： ＴＮ２ ２ ４ 文献 标 志码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰ Ｐ ２ １ ２ ０ ． ３ ９ ｏ：０ ３８ ／ Ｌ Ｂ ０ ０ ２６ １５
气体 火花 开关 结构 简单 ， 具有 导通 快 、 作 电压范 围宽 、 工 导通 电流大等 特点 ， 在高 电压领 域很 早就 被广泛 应 用ｎ ］ 。近年 来 随着高 功率 微波 源 、 等离 子体 处理 、 冷 海底 石油 勘测 及油 水井处 理 等技术 的发展 ， 程应用 对 开 工 关稳 定性 和重 复频 率特性 提 出 了更 高 的要求 。实 验证 实增 大 阴极粗糙 度是 增强气 体火 花开 关稳定 性 和使开 关 Ｅ ｐ曲线 （ 穿场 强 随 气 压 的变 化 曲线 ） 缓 的有 效 手 段 Ｌ ］ 后 者 对 提 高 开 关 的重 复 频 率 特 性 具 有 应 用 价 ／ 击 平 ３， 值 ］ 。通常认 为 粗糙 阴极影 响开 关性 能 的原 因是表 面毛 刺影 响 了电子崩 的产 生和 发展［ ］ ４ 。近 年来 碳纤 维 阴 极和 耐烧蚀 合金 阴极 的 出现使 得利 用 阴极 粗糙 度 改善 开关性 能具 有 了可行性 ， 由于对 粗糙 度理论 描述 困难 ， 但 国内外 在此 方 面的研 究较 少 。本文 提 出了粗糙 阴极 的气 体 火花 开 关击 穿模 型 ， 过粗 糙 层厚 度 和 场强 增 强 系 通 数对 阴极粗 糙度 的描 述 ， 概率 论研 究开关 的击穿情 况 ， 用 分析 了气 体压 强 对粗 糙 阴极 气体 火花 开 关稳 定 性 、 ／ Ｅ 曲线 以及开 关绝 缘恢 复速度 的影响 ， 得到 了利用 气 体压 强 对 粗糙 阴极气 体 火 花 开关 的稳定 性 和 重复 频率 特
性 的影 响 规 律 。
１ 模 型 的 建 立
气 体火 花开关 的放 电机 理通 常 用“ 注” 流 理论 来 描 述 ， 由于“ 流注 ” 的形 成 是 电子 崩剧 烈 发 展 的结 果 ， 用 利
Ｔｏ ｓ ｎ ｗｎ ｅ ｄ理 论来研 究 开关击 穿前 期 电子崩 的形 成和 发展 ， 进而讨 论 开关击 穿是 合理 的［ 。
图 １ 粗 糙 电极 火 花 开关 模 型
粗糙 程度 ，》 １ 忌 。随着 开关 极 间 电压 逐渐 升高 ， 场致 发射 产生 初始 电子 ， 并在 区域形 成 电子崩 ， 电子崩 到达 但 区域 边界 即停止 发展 ， 其包 含 的所有 电子 成为 引发 开关 击穿 的种 子 电子 。为讨 论 开关 的击穿 情 况 ， 据 场致 根 电离公 式 ， ］ 单位 时 间内 阴极 场致 发射 的 电子数 近似 与表 面 电场平方 成正 比 ， 一步 作 以下 假设 ： １ 区域 内 进 （）
粗 糙 阴 极 气 体 火 花 开 关 性 能 的 理 论 研 究
吕志忠 ， 吕治辉 ， 高娅娜。 钟功祥 蒋发光 ， ，
（．西 南 石油 大学 机 电学 院 ， 都 ６ ０ ５ ； ２ １ 成 １ ０ ０ ．国 防科 学 技 术 大 学 理学 院 ，长 沙 ４０ ７ ； ３ １０ ３ ．湖 南稀 土金 属 材 料 研 究 院 ， 沙 ４ ０ １ ） 长 １ ０ ４
第 ２ ２卷 第 ６ 期 ２１ ０ ０年 ６ 月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏｌ ２ ＿ ２。ＮＯ ．６
Ｊ ｎ ，２ １ ｕ ． ００
文 章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ６１ ５ — ５ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ — ３ ９０
如图 １ 示， 所 阴极 表 面 存 在 一 厚 度 《 的 区域 ， 电 场 强度 Ｅ 一 其 ｋ 其 中 ｄ为 开关 间隙 ， Ｅ， Ｅ为 间 隙平 均场 强 ， ｋ的大小 代 表着 电极 的
Ｆ ｇ Ｍ ｏ ｅ ｆ ｓ ａ ｋ ｇ ｐ ｗｉｈ ｒ ｕ ｈ ｃ ｔ ｏ ｅ ｉ ．１ ｄ ｌｏ ｐ ｒ ａ ｔ ｏ ｇ ａ ｈ ｄ