固体表面吸附气体及解吸附过程对真空沿面闪络的影响研究

真空中固体绝缘材料的沿面闪络现象严重制约着脉冲功率器件的性能和发展。目前关于真空固体沿面闪络的机理尚无统一理论，尤其是窄脉冲条件下的真空沿面闪络机理，其系统性和准确性还远远不够，更是一个需要深入研究的课题。本项目通过研究固体表面的吸附及解吸附过程，分析气体解吸附在纳秒脉冲真空沿面闪络中的作用，深入探讨纳秒脉冲真空沿面闪络机理。采用多方面的测量手段分析固体的表面形态，研究表面参数对吸附特性的影响；实验研究闪络过程中解吸附气体的变化特征，获得吸附及解吸附参量与闪络电压之间的量化关系；结合模拟计算和理论分析，建立气体解吸附与真空沿面闪络之间的物理模型。理论研究基于逃逸电子的快速电离波理论在真空沿面闪络中的作用，完善纳秒脉冲下的真空沿面闪络机理。本课题的研究成果可用于指导真空绝缘结构设计，推进高功率脉冲设备的小型化和实用化进程。

真空沿面放电机理研究中，电介质表面脱附气体的产生机制及其与真空沿面闪络之间的关系是一个极其复杂的问题，目前尚没有成熟的理论。本课题通过固体表面特性分析、真空出气特性测量、沿面闪络实验及实时气体成分分析、数值模拟等多方面研究了电介质表面的出气特性及其与真空沿面闪络之间的关系，对深入认识真空沿面闪络机理有重要意义。利用扫描电子显微镜、X射线光谱衍射仪、全金属超高真空分析系统分析了几种典型绝缘材料的表面形貌、成分及真空出气特性，获得了电介质表面参数和真空沿面闪络特性之间的宏观联系。建立多功能真空试验平台，四极质谱仪通过功能腔体与真空放电腔连接，实现了真空闪络试验与样本出气测量的同步开展。用质谱分析的方法，对真空沿面放电中产生气体及气体随时间的变化规律进行了分析，获得了几种材料在真空沿面放电过程中产生气体的主要成分及可能来源，获得了真空沿面闪络产生气体与放电参数之间的量化关系；发现高聚物材料在真空沿面放电过程中发生表面分解，验证了电介质表面层本体材料分解模型；提出材料的出气特性和具体的放电模式有关，当发生贯通金属电极的聚束放电通道时，气体成分中出现乙炔分子，验证了金属电极表面层本体溶解气体逸出模型。对真空沿面闪络的微观过程进行仿真计算，得出放电过程中电子能量向电介质表面的转移系数以及电介质表面吸收放电能量的空间分布，仿真结果验证了部分实验现象及结果。最后提出真空沿面放电气体产生模型为时变的复合机制模型，材料的超前分解现象验证了真空沿面放电的本体过程，真空沿面闪络可能在电介质本体及电介质表面同时并存。