重复频率纳秒脉冲气体放电中逃逸电子流与X射线特征研究

Recently, characteristics of gas discharge under extreme electromagnetic condition with pulses of nanosecond scale and high electric field are of growing interest. Due to the fact that the mechanism of high-energy electrons in the process of secondary avalanche generation and streamer development is still unclear, a study of the characteristic of runaway electron beams and x-rays in repetitive nanosecond-pulse discharge is proposed in the project. In the project, an investigation of experimental and numerical methods will be adopted, and the detection system for studying runaway electron beams and x-rays in repetitive nanosecond-pulse discharge will be established to study the generation，transition and interaction of the runaway electron beams and x-rays. Furthermore, the effect of pulse generator parameters, electrode shape, gas type and pressure, anode material on the runaway electron beams characteristic, electron energy distribution and spectrum, counts and dose of X-rays will be experimentally investigated，and the electron energy distribution function in the critical state of primary avalanche is to be obtained. Moreover, the generation and relation of runaway electrons and X-rays in the repetitive nanosecond-pulse discharge is to be studied by combining Monte Carlo and Particle-in-cell simulation method with experimental results. The mechanism of runaway electrons and X-rays in the avalanche development is to be further understood. Research results of this project will result in a practical significance for theoretical exploration and technical development on gas discharge with nanosecond-pulse excitation.

纳秒级窄脉冲、高场强等极端条件下电介质的击穿特性研究越来越受到重视。针对纳秒脉冲气体放电中高能电子逃逸在二次电子崩来源及流注发展机制仍未定论的问题，本项目提出研究重复频率纳秒脉冲激励下气体放电中逃逸电子流与X射线特征的研究。拟采用实验与数值仿真相结合的方法，建立纳秒脉冲气体放电中逃逸电子流与X射线测量检测系统来研究逃逸电子和X射线产生、传输和互相作用规律。实验研究脉冲电源参数、电极形状、气体种类与压力、阳极材料等对逃逸电子流特征、电子能量分布与X射线能谱、计数和剂量等特征参数的影响，并获得临界电子雪崩区域的电子能量分布函数。结合蒙特卡洛法和粒子模拟等数学计算方法仿真研究在逃逸电子与X射线产生机制与相互作用关系，深入理解纳秒脉冲气体放电中逃逸电子与X射线作用放电发展的机理。本课题的研究成果对将进一步完善和发展窄脉冲气体放电领域的理论与技术具有重要的理论和实际意义。

纳秒脉冲具有高折合场强以激励高能电子的产生，其超快的上升沿可有效抑制火花流注的产生，并在大气压条件下获得逃逸电子引导的均匀放电。因此，纳秒级窄脉冲、高场强等极端条件下电介质的击穿特性研究越来越受到重视。为了深入理解基于高能电子逃逸击穿的纳秒脉冲放电机理，本项目研究了重复频率纳秒脉冲激励下气体放电中逃逸电子流与X射线特征。项目采用实验与数值仿真相结合的方法，建立纳秒脉冲气体放电中逃逸电子流与X射线测量检测系统来研究逃逸电子和X射线产生、传输和互相作用规律。实验研究脉冲电源参数、电极形状、气体种类与压力、阳极材料等对逃逸电子流特征、电子能量分布与X射线能谱、计数和剂量等特征参数的影响，并获得临界电子雪崩区域的电子能量分布。结合Comsol和Matlab等软件计算方法仿真研究在逃逸电子与X射线产生机制与相互作用关系，深入理解纳秒脉冲气体放电中逃逸电子与X射线作用放电发展的机理。结果表明，自主设计的collector和法拉第杯两种逃逸电子收集装置能够有效的测量到逃逸电子束流波形，其脉冲上升沿约在160 ps到300 ps。逃逸电子束流的幅值随放电气隙距离的减小而增加，随施加电压幅值的增加而增加；改变放电环境，六氟化硫中逃逸电子束流幅值最低，改变气压不仅影响了逃逸电子束流的幅值，同时改变了气隙的击穿电压。利用叠片法计算了放电过程中逃逸电子的能量，将逃逸电子分为三部分：低能部分（能量小于十几千电子伏）、主体部分（能量在几十千电子伏到eUm之间，其中Um为施加电压幅值）和高能部分（能量大于eUm）。利用金刚石PCD探测器测量了放电过程中产生的X射线，结果表明放电过程中产生的X射线的能量约3.46×10-7 J。并结合实验结果，得出了纳秒脉冲作用下气体放电的机理，高能电子的逃逸现象和X射线在放电中起到主导作用。本课题的研究成果为理解纳秒脉冲气体放电中高能电子逃逸在二次电子崩来源及流注发展中的作用提供了参考，进一步完善和发展窄脉冲气体放电领域的理论与技术。