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氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿過程的光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究
（論文部分內(nèi)容摘抄）
高功率脈沖技術(shù)中，開關(guān)技術(shù)具有特殊重要的地位.它不僅決定了脈沖功率裝置的輸出特性，甚至是脈沖功率系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵.具有耐受電壓高、導(dǎo)通電流大、擊穿時(shí)延短、抖動(dòng)小、電感和電阻小、電極燒損小等不同性能的各種類型開關(guān)的研制,是脈沖功率技術(shù)中的重要研究?jī)?nèi)容.氣體觸發(fā)開關(guān)是利用氣體擊穿特性工作的開關(guān),因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。超高速像機(jī)已廣泛應(yīng)用于科學(xué)和民用科學(xué)領(lǐng)域,可在納秒量級(jí)內(nèi)記錄開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程，是研究氣體開關(guān)擊穿過程的重要光學(xué)測(cè)量手段。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及理論模擬
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣體觸發(fā)開關(guān)和超高速相機(jī)兩大部分組成。
本實(shí)驗(yàn)室使用德國 Excelitas PCO 公司 HSFC-PRO超高速相機(jī) 。該超高速相機(jī)有4個(gè)MCP(微通道板)像增強(qiáng)器模塊,短曝光時(shí)間3ns,可在1ns幀間隔時(shí)間下,超高速記錄4張滿幅影像像素1280x1024,12Bit動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)范圍.相機(jī)有電觸發(fā)和光觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，電觸發(fā)需通過TTL電平(5V)的上升沿觸發(fā)，觸發(fā)脈沖上升時(shí)間必須小于20ns.實(shí)驗(yàn)裝置布局見圖1.超高速相機(jī)直接對(duì)準(zhǔn)氣體觸發(fā)開關(guān)電極進(jìn)行拍照.由圖2,從氣體觸發(fā)開關(guān)負(fù)載上經(jīng)電容分壓器后提取的電觸發(fā)信號(hào)電壓4V、上升沿約為20ns，符合相機(jī)外部電觸發(fā)要求,可以進(jìn)行光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn). 選擇單曝光模式,4個(gè)通道的延遲時(shí)間分別設(shè)置為0，8ns，16ns,24ns(即每個(gè)通道隔8ns開始拍照)曝光時(shí)間均設(shè)置為8ns,相機(jī)記錄了0到32ns連續(xù)時(shí)間段內(nèi)氣體觸發(fā)開關(guān)的擊穿導(dǎo)通過程.圖3是單曝光模式下氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通照片，從相機(jī)通道1所拍攝照片中可以看到觸發(fā)電極與正電極首先擊穿導(dǎo)通有放電火花產(chǎn)生,這是由于觸發(fā)極與正電極之間電壓為6kV.而觸發(fā)極與負(fù)電極之間電壓為4kV,故觸發(fā)極與正電極先導(dǎo)通.8ns后通道2所拍攝照片可看到觸發(fā)極與正電極間的放電火花增強(qiáng),并且觸發(fā)極與負(fù)電極開始擊穿導(dǎo)通,有比較弱的放電火花產(chǎn)生.16ns,24ns后通道的照片中觸發(fā)極與負(fù)電極間的放電火花相對(duì)與照片2明顯依次增強(qiáng),并且通道4照片中觸發(fā)極與正負(fù)電極間的放電火花強(qiáng)度基本一致,證明此氣體觸發(fā)開關(guān)在24ns后正負(fù)電極已完全擊穿導(dǎo)通。
選擇雙曝光模式，即每個(gè)通道曝光兩次，可拍攝八幅照片，設(shè)置八幅照片的時(shí)間延遲依次為1.5us,曝光時(shí)間均為20ns.如圖所示,實(shí)驗(yàn)拍攝得到氣體觸發(fā)開關(guān)10.5us內(nèi)擊穿導(dǎo)通過程的8幅照片,4幅照片為四通道曝光的照片，第二行4幅照片為第二次曝光的照片,每一列的兩幅照片為同一通道所拍攝.由實(shí)驗(yàn)照片所示,0至4.5us時(shí)間內(nèi)正負(fù)電極之間放電火花依次明顯增強(qiáng),而6至10.5μs內(nèi)放電火花依次減弱，到10.5us時(shí)放電火花**弱,氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程基本結(jié)束.實(shí)驗(yàn)證明該開關(guān)導(dǎo)通過程持。
pco.dicam超高速相機(jī)存在無法消除的48ns系統(tǒng)延遲時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中由觸發(fā)開關(guān)的觸發(fā)極引出相機(jī)電觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)開關(guān)開始擊穿后48ns相機(jī)才開始拍攝第幅照片,相機(jī)無法與開關(guān)保持同步工作.另外,實(shí)驗(yàn)中我們從開關(guān)的負(fù)載上引入相機(jī)的外部電觸發(fā)信號(hào)當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通后負(fù)載上的電壓才使相機(jī)觸發(fā)拍照,不能觀察到開關(guān)開始擊穿導(dǎo)通時(shí)刻的放電現(xiàn)象.后續(xù)實(shí)驗(yàn)中我們擬使用時(shí)間延遲發(fā)生器,輸出兩路觸發(fā)信號(hào)一路信號(hào)觸發(fā)氣體開關(guān),一路信號(hào)提前48ns觸發(fā)超高速相機(jī)，這樣才能使相機(jī)真正保持與開關(guān)同步觸發(fā)，拍攝到擊穿導(dǎo)通起始時(shí)刻的放電火花照片，深入研究其物理現(xiàn)象。
本文采用光學(xué)測(cè)量方法研究氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程.由超高速相機(jī)所得到的納妙量級(jí)和微妙量級(jí)開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程圖像可以看出,氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿過程可分為兩個(gè)階段,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與靜電場(chǎng)模擬結(jié)果相符合，并且擊穿過程持續(xù)時(shí)間在11.5us以上。
實(shí)驗(yàn)證明光學(xué)測(cè)量方法是研究高壓開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程的有效手段。本實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步研究高壓開關(guān)擊穿過程打下了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
德國 Excelitas PCO 公司的pco.dicam C4四通道像增強(qiáng)器相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過程的優(yōu)點(diǎn)，將可實(shí)現(xiàn)高效的單光子檢測(cè)，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
廣州市元奧儀器有限公司作為德國Excelitas PCO 公司pco.dicam C4四通道像增強(qiáng)器相機(jī)在中國的代理商之一，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對(duì)相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流！
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