真空觸發(fā)開關(guān)的起弧穩(wěn)定性實驗結(jié)果分析
對于場擊穿觸發(fā)方式,放電起始于真空中的場電子發(fā)射,由弗雷-諾特海姆公式在電場E 下陰極發(fā)射的電子電流密度Jee為
式中φ 為表面逸出功, E 為電場強度, 系數(shù)t與y 相關(guān),一般可看作常數(shù)或查表。已知鎢的擊穿場強大約為6 ×109V/ m ,逸出功4.5eV。計算(4) (5)得y = 0.648 , v = 0.510 , 又查表得t = 1.063, 代入(3) 式,可得Jee = 5.375 ×1010A·m- 2 。
Jee形成的電子電流撞擊陽極,使之產(chǎn)生材料蒸發(fā)和電離,離子在電場作用下向陰極表面運動并產(chǎn)生離子鞘層,加速電子的發(fā)射,當(dāng)該鞘層的作用或電子電流密度高到足以在陰極表面產(chǎn)生陰極斑點時,就具備了自持放電的條件。在均勻電場中靠場發(fā)射達到擊穿的臨界電子電流密度比較困難, 一般設(shè)計觸發(fā)針對相連電極間有場畸變以增強局部場強。初始等離子體形成后, 能否引發(fā)主間隙的導(dǎo)通還有一定的條件, 視其進一步的發(fā)展而定。隨著初始等離子體向主間隙的擴散, 它們會影響主間隙的電場分布,如初始等離子體有足夠高的密度,可直接擊穿主間隙。一般觸發(fā)系統(tǒng)提供的能量不足以維持主間隙的擊穿狀態(tài)(如圖6) , 主間隙的自持放電必須自主間隙陰極表面產(chǎn)生的陰極斑點不斷提供帶電粒子和金屬蒸氣來維持(如圖9) 。
當(dāng)初始等離子體擴散到主間隙陰極時, 就在近陰極區(qū)形成離子鞘層。鞘層電壓Us 幾乎等于主間隙電壓,流過鞘層的電流Is 由電子電流Ie 和離子電流Ii 組成。
其中f 為離子電流比例,一般為015～1 ,與觸發(fā)材料相關(guān); It 為觸發(fā)電流; S 為鞘層下的電極面積; e 、ne 、ve 和Te 分別為電子的電量、密度、熱速度和溫度; k是玻爾茲曼常數(shù)。離子電流由觸發(fā)電流決定的, 而電子電流服從玻爾茲曼分布, 并隨鞘層電壓Us 的增加按指數(shù)下降。鞘層電流Is 可通過朗繆爾(Lang2muir) 公式與鞘層電場Es 關(guān)聯(lián);當(dāng)Es 達到一臨界值Esc時,就會擊穿并產(chǎn)生陰極斑點,TVS 主間隙開始導(dǎo)通。Esc取決于主間隙陰極材料及其表面狀態(tài)。設(shè)鞘層電流以離子電流為主, 則引發(fā)主間隙擊穿的臨界觸發(fā)電流Itc為
其中d 為觸發(fā)電極到主間隙陰極的最小距離; M 為觸發(fā)電極材料的分子重量。Itc的詳細計算要考慮主間隙陰極鞘層的動態(tài)發(fā)展過程。本文中TVS 接通的是一低頻LC 振蕩電路, 電容器上的充電電壓為U0 ,準(zhǔn)中性的初始等離子體的發(fā)展各向同性, 則以下關(guān)系成立
其中z 為平均離子電流; ni 為離子密度; vi 為離子平均漂移速度。由此可導(dǎo)出鞘層的動態(tài)電壓和電流
L 為振蕩電路電感。假設(shè)ve/ vi ≈100 , Te ≈1.3 ×104k , z≈1 , Us (t) 僅為U0 與It 的函數(shù)。
當(dāng)Us > 40V 時, f d It/ d t n U0/ L , 計算式(11) 得Is ( t) = 0.919f It ( t ) , 即鞘層中以觸發(fā)電流為主。當(dāng)d It/ d t = 0 時, It 達到最大Itm , 鞘層離子密度最高,U0 = Us ,主間隙擊穿概率最高。反之, 當(dāng)Us < 40V時, f d It/ d t m U0/ L ,鞘層電流中電子電流分量相當(dāng)大,其動態(tài)特性為主間隙外電路所限制,主間隙不滿足擊穿條件。
由上述分析可知,陰極斑點是維持電弧的關(guān)鍵,而產(chǎn)生陰極斑點取決于離子鞘層, 足夠的鞘層電場或鞘層電壓是產(chǎn)生陰極斑點的保證。起弧最初的鞘層是靠初始等離子體中正離子返回陰極表面形成的,而初始等離子體取決于觸發(fā)過程。所以為保證觸發(fā)的可靠性,既要有足夠高的脈沖電場強度,又要有充足的觸發(fā)電流。
結(jié)論
(1) 自建了一套場擊穿型TVS 的觸發(fā)和實驗系統(tǒng),從電氣特性和圖像特性兩個方面記錄其起弧過程。實驗結(jié)果表明續(xù)流電容充電150V 能夠保障TVS 的穩(wěn)定導(dǎo)通,觸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定延時約40μs ,起弧過程持續(xù)了297μs。
(2) 初始等離子體的不同發(fā)展決定著TVS 的開通,記錄并分析了TVS 從不穩(wěn)定起弧到穩(wěn)定起弧的發(fā)展變化過程。
(3) 分析了場擊穿觸發(fā)的原理,只有在足夠高的脈沖電場強度和充足的觸發(fā)電流下,才能產(chǎn)生充足的初始等離子體,進而得到滿意的觸發(fā)概率。分析與實驗過程相一致。
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