纳秒脉冲放电过程中气体火花开关电极熔蚀机理研究

Fast Z-Pinch pulse generator such as FLTD has broad application prospect.It's rapid development put forward strict technical requirement on gas spark switch. Aimed at the problem of electrode erosion, which seriously restricts the reliability and lifetime of gas spark switch,researches of this project will be carried out on the focus of electrode erosion mechanism during nanosecond pulse discharge. Heat balance formula will be established through the heat source analysis of electrode material and the multi-spectral radiation temperature measurement of the arc root region on the surface of electrode.And then,phase transformation process of electrode material will be studied,combined with the heat accumulation and conduction. By using fast frame camera, the removal forms and pit formation process can be studied to obtain the influence of pulse parameters and transferred charge on the characteristics of electrode erosion.Also,the mechanism of material removal and pit formation can be mastered. And then, methods for predicting the amount of removed material and the pit depth are to be proposed.Methods for discretization of electrode surface region and estimation of the appearance probability of the pits on each discrete region can be proposed based on the study of shapes and distribution characteristics of the pits on the electrode. Finally, a model for estimating surface condition of the electrode will be established to study and master the influence of discharge time on the electrode surface condition. The result of this project can provide an overall understanding of electrode erosion during the nanosecond discharge and support the design and assessment of gas spark switch. Therefore, the project has significant scientific importance and application value.

以FLTD为代表的快Z箍缩脉冲源具有广阔应用前景，其快速发展对气体开关提出了苛刻的技术要求。本项目针对电极熔蚀严重制约目前气体火花开关可靠性和使用寿命的问题，围绕纳秒脉冲放电过程中电极熔蚀机理开展研究。项目通过电极材料加热热源分析与电弧触点区域温度的多光谱辐射法测量，建立区域热平衡方程，结合热量积聚与传导，研究电极材料的相变过程。利用高速分幅相机研究电极材料移出形式与蚀坑形成过程，获得脉冲参数、转移电荷量等因素对电极熔蚀特性的影响规律，掌握材料移出和蚀坑形成机理，提出电极材料移出量与蚀坑深度的估算方法。通过研究蚀坑形态及分布特性，提出电极表面区域离散化处理方法和蚀坑在各离散化区域出现概率的估计方法，建立电极表面状态估算模型，掌握放电次数对电极表面状态的影响规律。项目研究结果可较为全面地掌握纳秒脉冲放电过程中的电极熔蚀机理，为气体火花开关设计和评估提供理论支持，具有很好的科学意义和应用价值。

气体火花开关具有通流大、结构简单、方便维护等优点，特定条件下其触发抖动低达亚纳秒量级，极有潜力满足大型脉冲功率装置同步性与可靠性的要求，然而，气体火花开关面临电极熔蚀问题，会造成开关电极形貌和性能参数劣化、寿命缩短，是制约脉冲功率技术发展的瓶颈。. 本项目针对纳秒脉冲作用下的气体开关电极熔蚀问题开展研究，搭建了紧凑型RLC放电回路和触发回路，产生波形可调的纳秒脉冲电流，设计了三电极场畸变气体火花开关，研制了折带式分流器（变比为13.2mV/A）和电阻分压器（变比为19500）以分别测量放电电流和触发脉冲。采用激光共聚焦显微镜研究蚀坑形貌，采用精密分析天平测量电极质量损失，此外，利用高速分幅相机和光谱仪测量通道根部的形态和发射光谱以分析电极熔蚀过程中弧足附近的电流密度和电子温度。. 项目研究了电流幅值、上升时间和阻尼系数等对蚀坑深度、表面粗糙度和电极质量损失的影响，研究表明：随着脉冲电流幅值增大，电极表面平均粗糙度线性增大，电极质量损失以幂指数形式增大；电流幅值一定时，随着上升时间和脉冲宽度减小，电极材料移除方式发生变化，上升时间>70ns时，电极材料以气态和液态两种方式移除，电极质量损失率几乎不变；上升时间<46ns时，电极材料以气态移除，电极质量损失率急剧减小。. 弧足对电极表面热量传递和力作用的研究表明，数十千安的纳秒脉冲作用下，电极表面的受力以粒子轰击压力为主，可达MPa量级，液化层临界厚度为1~3μm左右；熔蚀热源密度达1011W/m2量级。研究了电极材料的相变和移除过程，建立了气体火花开关电极熔蚀过程的仿真计算模型，该模型可计算电极表面物态和温度分布，获得蚀坑深度和电极质量损失。仿真研究了阴、阳极材料移除模式对电极熔蚀特性的影响，结果表明，随着纳秒脉冲上升时间减小，电极表面温度梯度增大，相变过程仅发生在电极表层，液化层很薄，电极材料仅发生剧烈汽化；随着上升时间增长，温度梯度减小，液化层变厚并在外力驱使下移除，蚀坑深度和电极质量损失率急剧增大。. 此外，本项目还研究了多次放电过程中蚀坑的叠加和发展过程，获得了蚀坑落点分布的概率密度函数，建立了电极表面粗糙度计算模型，研究了蚀坑发展对电极表面粗糙度和开关性能参数的影响。对深入理解纳秒脉冲下电极熔蚀机理和气体开关的设计与应用均具有很好的意义。