本實驗采用持續(xù)時間為微秒級、放電電流為100 A~300 A 的單脈沖電源形式，設(shè)計了三種不同錐角的鋁電極。通過朗繆爾探針法測量放電生成的等離子體相關(guān)參數(shù)，討論了電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。由于爬距相同時沿面放電的路徑具有不確定性，導致探針法無法準確測得等離子體參數(shù)。本實驗采用OPT101 光電轉(zhuǎn)化芯片對真空沿面放電瞬間的電弧發(fā)光強度進行測量，并通過雙縫法對放電路徑進行了篩選，從而保證探針法測量數(shù)據(jù)的可靠性。實驗結(jié)果表明，陰極錐角越小，陰極三結(jié)合點處電場強度越大，越容易發(fā)生沿面放電;陰極三結(jié)合點處電場強度越大、陰極三結(jié)合點的分布范圍越大，沿面放電得到的主放電電流越大，最終測得的等離子體密度也越大。

　　目前有關(guān)真空沿面閃絡發(fā)生機理的解釋主要有以下兩種假說：①二次電子崩假說(SEEA)②極化松弛理論(ETPR)，其中二次電子崩假說得到了大多數(shù)研究真空沿面放電的學者的認同。它的基本內(nèi)容是，由于電極與絕緣體接觸時會存在微小間隙，從而導致陰極三結(jié)合點處(電極、絕緣體、真空介質(zhì)三者的交界點)的局部場強發(fā)生畸變，電場強度明顯高于其他位置的電場強度，會在陰極三結(jié)合點處產(chǎn)生強場致發(fā)射的初始電子。初始電子碰撞絕緣體會產(chǎn)生二次電子，二次電子又撞擊絕緣體表面，致使更多的電子從絕緣體內(nèi)發(fā)射出來，進而發(fā)展成二次電子崩。由于絕緣體表面存在吸附氣體，電子碰撞絕緣體會引發(fā)氣體的解吸附，致使絕緣體表面的局部氣壓升高。在高場強作用下絕緣體表面氣體發(fā)生電離，沿面閃絡形成。

　　根據(jù)二次電子崩假說，陰極三結(jié)合點處微小縫隙引起局部場強增強，導致初始電子的發(fā)射。電極結(jié)構(gòu)的改變可以在一定程度上影響陰極三結(jié)合點處的電場強度以及陰極三結(jié)合點的分布范圍。本實驗通過設(shè)計不同錐角的電極結(jié)構(gòu)來改變陰極三結(jié)合點處的電場強度，討論電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

1、實驗裝置

2、實驗結(jié)果及討論

　　本實驗設(shè)計了三種不同錐角的鋁電極結(jié)構(gòu)作為陰極，分別是錐角為60°的圓錐形電極，錐角為120°的圓錐形電極，錐角為180°的平板電極，三種電極結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6 所示。實驗所用陽極均為直徑10 mm，高度25 mm 的圓柱形平板鋼電極。

圖6 三種不同錐角的電極結(jié)構(gòu)

　　實驗過程中所用的絕緣體是高度為5 mm，直徑為10 mm 的圓柱形聚四氟乙烯。電極布置如圖7 所示，在實驗中絕緣體放置在陰極和陽極之間并與之接觸，同時保證陰極與絕緣體的接觸點(或者接觸面)為柱形絕緣體的圓心(或者接觸面的圓心與柱形絕緣體的圓心重合)。

圖7 沿面放電電極布置圖

　　實驗采用持續(xù)時間為微秒級、電流為100A~300A的單脈沖電源形式，電源電壓幅值在10 kV~30 kV之間內(nèi)可調(diào)。放電過程中的電流、電壓波形如圖8 所示。

圖8 放電電流、電壓波形

2.1、不同錐角的電極結(jié)構(gòu)下真空沿面放電等離子體的生成特性分析

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2.2、電場仿真

　　應用Ansoft Maxwell 3DR 對三種錐角的電極結(jié)構(gòu)進行了電場仿真，并觀察了沿直線L1 的電場分布情況(其中L1 為聚四氟圓柱上表面直徑所在直線)。仿真過程中在陰極施加- 12 kV 的電壓激勵，陽極保持接地，仿真結(jié)果如圖10 所示。通過仿真結(jié)果可知，陰極三結(jié)合點處的電場強度明顯大于電極間其他位置的電場強度，且電極錐角越大，陰極三結(jié)合點的電場強度越小。由圖11 可知，可以看出在陰極尖端的兩側(cè)分布有兩個電場最強點。它們的電場強度值大于陰極尖端處的場強值，此即為放電過程中的陰極三結(jié)合點。

圖10 三種不同錐角電極的電場分布

圖11 錐角60°電極下沿L1 的電場分布

2.3、實驗結(jié)果的分析

　　由二次電子崩假說，陰極三結(jié)合點是真空沿面放電過程的起點。陰極三結(jié)合點處由于局部場強畸變發(fā)生場致發(fā)射產(chǎn)生初始電子，初始電子碰撞絕緣體形成二次電子崩進而發(fā)生沿面放電。所以，陰極三結(jié)合點處電場強度越大的電極更容易產(chǎn)生初始電子，沿面放電也就更容易發(fā)生，擊穿電壓也就越低。

　　陰極三結(jié)合點處會由于強場致發(fā)射產(chǎn)生初始電子，初始電子在向陽極運動的過程中撞擊絕緣體表面時產(chǎn)生二次電子，同時會在絕緣體表面留下正離子，這些正離子會使陰極三結(jié)合點的電場強度進一步增強，致使更多的電子從陰極三結(jié)合點處場致發(fā)射出來，繼續(xù)碰撞絕緣體表面形成二次電子。由電場仿真結(jié)果可知，錐角60°電極的陰極三結(jié)合點處電場強度最大，所以正離子對其增強作用就更加明顯，從陰極三結(jié)合點處場致發(fā)射出的電子就會更多，放電過程中得到的電子流(放電電流)就越大，測得的等離子體密度也就越大。

　　對于錐角為120°的電極和錐角為180°的電極，由電場仿真可以看出，錐角120°的電極陰極三結(jié)合點處的電場強度略大，但兩者相差并不明顯。陰極三結(jié)合點是真空沿面放電的薄弱之處，陰極三結(jié)合點的分布范圍越大，意味著放電過程中就有更多的薄弱點存在。由于錐角120°的電極與絕緣體接觸的范圍是一個點，而錐角180°的電極與絕緣體接觸的范圍為圓形面，所以錐角180°電極的陰極三結(jié)合點分布范圍更大，從而導致有更多引發(fā)場致電子發(fā)射的薄弱點產(chǎn)生，使有更多的場致發(fā)射電子參與電子倍增過程。所以錐角180°的電極放電時得到的主放電電流較大，測得的等離子體密度也較大。

3、結(jié)論

　　本實驗設(shè)計了錐角不同的三種電極結(jié)構(gòu)，通過在真空實驗平臺上進行一系列對比實驗，討論了電極錐角對真空沿面放電等離子體生成特性的影響。

　　(1) 陰極三結(jié)合點是沿面放電的起始點，陰極三結(jié)合點處的電場強度明顯大于電極間其他位置的電場強度。在真空沿面放電過程中，當陰極為錐形時，陰極三結(jié)合點(場強分布最強點)分布在陰極錐的兩端。

　　(2) 錐角越小的電極，擊穿電壓越低，越容易發(fā)生沿面閃絡放電。

　　(3) 錐角越小的電極，陰極三結(jié)合點處的電場強度越大，放電過程中得到的主放電電流較大，最終測得的等離子體密度也較大。

　　(4) 真空沿面放電時陰極三結(jié)合點處電場強度相差并不明顯時，陰極三結(jié)合點的分布范圍越大，主放電電流越大，測得的等離子體密度也越大。