高梯度表面微带真空绝缘体闪络机理与制备技术研究

The project develop a new concept of surface micro-strip insulator(SMSI) based on the insulator surface flashover mechanism in vacuum with pulsed voltage and the high gradient insulator(HGI)theory, advantages and limitations. The project will carry out investigations of SMSI physical model, basic theory, simulation method, material and preparation process, summarize the law of SMSI surface flashover performance with pulsed voltage in vacuum and point out the key factors, establish the SMSI physic model and sum up the optimization of the material and structure, then make the SMSI sample. The project would expand the range of insulator material selection, reduce the preparation process difficulty through explore the different SMSI preparation process, provide the new HGI structure theoretical and experimental basis by the SMSI surface flashover experiment, look for effective method to engineering application and settle the foundation for application with different actual structures.

本项目从脉冲条件下真空沿面闪络发生和发展的物理机理研究出发，基于对高梯度绝缘体（High Gradient Insulator, HGI）基础理论、优点及局限性的深入认识，原创性提出了表面微带绝缘体（Surface Micro-Strip Insulator, SMSI）的概念，拟深入开展SMSI物理模型、理论及数值模拟方法、材料及制备工艺等方面的研究，掌握影响表面微带绝缘体在脉冲条件下真空沿面闪络性能的关键因素及其规律，建立相应的物理及数学模型，掌握材料、结构设计及优化方法，研制出高梯度SMSI原理性样件。本项目将通过SMSI不同制作工艺的探索，进一步拓宽材料使用范围，降低制作工艺难度，并通过实验验证SMSI的沿面闪络耐压强度，为新型高梯度绝缘结构研究提供理论和实验基础，有望寻找到易于工程实现和推广应用的有效方法，为不同典型场合的实际应用奠定基础。

本项目基于微堆层绝缘子结构特点，提出了表面微带绝缘体结构设想，对表面微带绝缘体开展了电场和粒子运动模拟计算、制备工艺探索、电性能测试、表面微观特征诊断等方面的研究，提出了表面激发态概念，实验和仿真主要取得重要数据和结果如下：.1、圆柱形表面微带绝缘体与微堆层绝缘子表面径向电场分布特征规律基本一致，金属层深度不影响表面径向电场分布规律；表面微带之间的电容值将小于微堆层金属层之间的电容值；绝缘层宽度一定，金属层宽度越小，由金属感应电荷引起表面径向电场峰值越小，电场反向发展越快；金属层宽度一定，绝缘层宽度越小，径向电场分布变化越快，对电子运动影响越早；.2、实验表明指状电极结构下直线型微带设计的平面型微带样件真空耐压性能较低，分析原因主要为微带结构下电场分布极不均匀，未形成有利于电子远离表面运动的电场分布；平板电极结构下圆柱形微带样件真空耐压水平与基底材料本征耐压水平接近，部分样件耐压水平有所提高，采用的制备工艺制备的微带样品表面与预期有较大差距，表面微观缺陷制约了材料耐压性能提高。 .3、电磁PIC模拟的结果显示，从阴极电极发出的电子在径向电场作用下始终向绝缘体表面运动，从绝缘体表面发射的电子在径向电场作用下将远离绝缘体表面，有利于抑制二次电子发射。二次电子产额有所减少，表明理想表面的微带结构可以促使部分电子远离绝缘体表面运动，达到抑制闪络的目的；.4、根据表面微带绝缘体结构特征的闪络特性，提出了表面激发态F(x,t)宏观表征量来描述闪络发生过程及各种因素。表面微带绝缘体的整体激发态曲线分割为以单个绝缘层为单位的n个子激发态曲线来表征闪络物理过程，对比了理想表面和存在表面缺陷的微带绝缘体表面激发态曲线，同时阐述了其他几种闪络现象的物理发展过程。