直流气体开关自放电特性计算方法

Fast Linear Transformer Driver has become a pulsed power hotspot. It has improtant application prospects in the fields of radiation effect simulation, flash radiography, and inertial confinement fusion. Stability of a FLTD system is determined from the Self-breakdown Performances of the gas switches used in its primary energy storage units. In this project, we are going to establish the physical-mathematical model and caculation mothode of the self-breakdown voltage probability distribution, based on mechanism of self-breakdown, to predict the self-breakdown performances of a gas switch. At frist, some random variables will be introduced into classical gas discharge theories (Townsend theory or stream theory), in order to explain the formation mechanism of self-breakdown voltage random distribution. Then we will find the physical-mathematical relation between the random variables and self-breakdown voltage. Base on the relationship, A Monte-Carlo model will be build to discribe the process of gas switch self-breakdown in math. In the other hand, the physical-mathematical relation between the random variables and experiment conditions (like gas pressure, gap structure, atmospheric ionization rate, electrode morphology and so on)will be definite to build sample methods of the random variables in the Monte-Carlo model. Based on the findings above, we will establish the caculation methode of self-breakdown performance which can be used in practice. At last, the caculation medol will be illustrated by experiments.

快直线型变压器驱动源(Fast Linear Transformer Driver, FLTD)是国际脉冲功率技术领域的研究热点，在效应模拟、闪光照相和惯性约束聚变能源领域有广阔应用前景。FLTD系统稳定性由初级储能单元中直流气体开关的自放电特性直接决定。本项目拟探明气体开关自放电机制，研究建立击穿电压概率分布的数学物理模型及计算方法，用于预测气体开关自放电特性。首先依据气体放电理论，在Townsend判据基础上引入合理的随机变量，解释开关自放电电压随机分布的形成机制。并探明上述随机变量与开关自放电电压之间的物理数学关系，建立蒙特卡洛模型数学描述开关自放电过程。其次研究探明不同参数（工作气压、间隙距离、大气电离率、电极表面形貌等）与上述随机变量概率分布的数学关系，建立随机变量在蒙卡模型中的抽样方法。综合以上研究结果，建立可用于工程实践的开关自放电特性计算方法，并通过实验对计算模型进行校验。

研究分析了直流气体开关在FLTD装置中大规模应用面临的困境，一是通过实验难以获得开关在低工作系数下的自放电概率，二是工程上对开关自放电性能的优化工作已渐入瓶颈。当前研究迫切需要清晰认识开关自放电电压概率分布的形成机制，探明开关低工作系数下小概率放电的原因；建立物理意义明确且准确反映工程实际的计算模型，形成小概率放电的评估方法。但目前对上述机制的研究还缺乏定量分析，多数研究成果是对实验现象的定性分析，距离指导开关工程应用还有较大差距。.本课题的研究中，首先将开关自击穿过程分为等待自由电子、电子崩发展、二次电子产生和电子崩向击穿转变四个阶段，并分别建立了解析的数学模型。其次定量分析了自由电子时空分布、二次电子产生数目和电极表面凸起分布等随机变量对开关自击穿过程的影响；并结合开关结构和工作条件建立了上述随机变量的数值抽样方法。综合上述工作建立了开关自击穿性能的蒙特卡洛计算模型。.依据计算模型，分析讨论了不同开关结构（电极直径、间隙距离和倒角半径等参数）对开关自放电性能的影响；并开展了相应实验对模型计算结果进行验证。研究结果显示：在不同的开关结构下，实验与计算获得的开关自击穿电压概率密度分布曲线吻合良好。说明模型准确反映了开关结构对自放电性能的影响，模型具有工程应用价值。.在开关低工作系数下小概率放电评估方面，采用χ2检验说明了计算和实验获得的放电频率反映了相同的概率真值，说明模型准确反映了开关小概率放电的机制和过程。在此基础上利用模型计算建立了高效准确的自放电概率评估方法。.综上所述，本文创新性的提出了一种开关自击穿性能理论计算模型。该模型丰富和发展了Townsend理论，在Townsend理论基础上引入了合理的随机变量，成功描述了开关自击穿电压分散性的形成机制。模型计算结果能够准确反映开关间隙结构和电极形貌对开关自击穿电压分布的影响，具有工程应用价值。