小型化高气压亚纳秒开关关键技术研究

小型化高气压亚纳秒开关内部绝缘体沿面闪络现象及电极间隙气体击穿的不稳定问题一直是有待攻克的难关。本项目以提高陶瓷绝缘体表面击穿阈值、增强击穿稳定性为目标，对高气压窄脉冲下沿面闪络机理及击穿特性进行深入的实验研究、数值模拟及理论分析：(1)采用宏观测量方法分析绝缘体沿面闪络产生时气体种类、气体压强与闪络时延、闪络距离、闪络场强之间的关系，以及绝缘体表面粗糙度对闪络特性的影响；建立间隙气体击穿过程中电极形状、电极间隙与开关电压、负载电流、负载阻抗的定标关系。(2)采用微观仿真方法，利用有限元软件及单元粒子软件模拟狭小空间内动态电磁场、温度场、电子能量密度分布及粒子运动轨迹。(3)根据实验和仿真结果，建立准确的物理模型和更合理的几何模型，揭示高气压下绝缘体沿面闪络的物理机制和气体的击穿特性。研究成果可用于指导小型化高气压亚纳秒开关的绝缘设计和结构优化，将推进便携式脉冲功率装置的进一步发展。

脉冲功率技术在科学试验、国防、生物医学以及环境保护等领域有着广泛的应用。高气压气体开关的研究源于脉冲功率技术迅速发展的要求，是脉冲功率系统的关键部件之一。快脉冲气体击穿特性的研究工作推动了气体放电研究领域的完善和发展，具有重要的理论和实际意义。.近年来随着脉冲加速器、高功率微波源、冷等离子体处理等技术的发展，对高气压气体开关的尺寸、稳定性等提出了更高的要求。本文从理论分析、软件模拟、实验研究等方面研究了氮气介质高气压开关的工作特性：(1)采用宏观测量方法分析P-48型亚纳秒气体开关的击穿特性；(2)采用微观仿真方法，利用有限元软件及单元粒子软件模拟狭小空间内静态电场及瞬态粒子运动轨迹；(3)根据实验和仿真结果，建立准确的物理模型和更合理的几何模型，揭示高气压气体的击穿特性。.针对脉冲信号的测量，采用了新型混杂式高压分压器的原理与结构并进行了标定和实验测试。文中着重讨论了两级分压的衰减特性，给出了在不同条件下衰减系数(分压比)的计算公式，分析了气泡及溶液浓度对衰减系数的影响，并采用了有效的干扰防护措施。.根据理论计算，研制了一种高压气体开关，其承受最大气体压强可达10 MPa。针对所设计的小型化高气压气体开关，开展了击穿特性实验和50%击穿电压实验，与常压空气开关相比较，具有很好的绝缘特性。研究成果可用于指导小型化高气压亚纳秒开关的绝缘设计和结构优化，将推进便携式脉冲功率装置的进一步发展。