高梯度表面微帶真空絕緣體閃絡(luò)機(jī)理研究.pdf

1、真空固體絕緣結(jié)構(gòu)是脈沖功率裝置中常見的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，也是裝置中的薄弱環(huán)節(jié)之一。受到各類重大軍民應(yīng)用的牽引，大型脈沖功率裝置發(fā)展迅速，對(duì)真空固體絕緣技術(shù)的要求越來越高。從上世紀(jì)50、60年代起，真空沿面閃絡(luò)研究在理論模型、模擬計(jì)算方法、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)等多個(gè)方面展開，相關(guān)物理機(jī)理認(rèn)識(shí)程度不斷加深，提出了許多描述這一復(fù)雜擊穿機(jī)制的理論和假說，真空沿面閃絡(luò)的機(jī)理和影響因素得到了大量研究。同時(shí)，在應(yīng)用研究方面，根據(jù)已有的理論和實(shí)驗(yàn)規(guī)律，國內(nèi)外研

2、究了很多改善絕緣子沿面耐電強(qiáng)度的方法。其中，在對(duì)新型高性能絕緣材料、工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的積極探索中，受到介質(zhì)壁加速器研究的驅(qū)動(dòng)，高梯度絕緣體（High Gradient Insulator, HGI）的概念被提出，并在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。為了降低高梯度絕緣體在制造工藝方面的技術(shù)問題以及拓展它對(duì)于實(shí)際應(yīng)用條件下不同絕緣結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，本論文介紹了一種具有類似高梯度絕緣體周期性結(jié)構(gòu)的新型的高梯度表面微帶絕緣體(High Gradient Sur

3、faceMicro-Strip Insulator, SMSI)。本論文主要內(nèi)容為高梯度表面微帶絕緣子在真空沿面閃絡(luò)理論架構(gòu)下的理論研究、數(shù)值模擬計(jì)算與參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
　　闡述了主流的基于二次電子崩模型的真空沿面閃絡(luò)理論，按此理論對(duì)其發(fā)展階段的物理過程（初始電子發(fā)射，二次電子過程，氣體解吸附和在解吸附氣體層中的擊穿）進(jìn)行了描述。在此基礎(chǔ)上，開展了對(duì)高梯度表面微帶絕緣體的理論研究。首先對(duì)閃絡(luò)理論中的閃絡(luò)時(shí)延和閃絡(luò)場強(qiáng)的關(guān)系進(jìn)行了理論

4、推導(dǎo)，分析了脈沖波形對(duì)表面微帶絕緣子沿面閃絡(luò)的影響，對(duì)表面微帶絕緣體的絕緣層上限進(jìn)行了理論推導(dǎo);然后用有限元方法計(jì)算了表面微帶絕緣體的電場分布;分析了微帶結(jié)構(gòu)對(duì)沿面閃絡(luò)過程的影響，闡述了微帶結(jié)構(gòu)與電子的相互作用，包括:微帶對(duì)二次電子崩的阻擋作用，對(duì)二次電子發(fā)射和表面充電的影響，微帶的電容效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，微帶結(jié)構(gòu)對(duì)陰極三相點(diǎn)電子發(fā)射的反饋機(jī)制，電子與微帶充電的平衡機(jī)制等機(jī)制。
　　然后是表面微帶絕緣體沿面閃絡(luò)的數(shù)值模擬方法研究。

5、首先介紹了物理模型、程序設(shè)計(jì)方法，采用的核心算法。本論文中的數(shù)值模擬研究使用了有限元、PIC、蒙特卡羅方法等，對(duì)如何模擬沿面閃絡(luò)提出了自己的想法。研究了表面微帶絕緣體真空沿面閃絡(luò)的數(shù)值模擬方法，建立了表面微帶絕緣子在指狀電極系統(tǒng)下的物理模型，在簡化的外加條件下使用有限元數(shù)值解法、粒子云網(wǎng)格算法和蒙特卡羅方法處理實(shí)際計(jì)算中的問題，能夠處理絕緣子模擬中的電磁場計(jì)算和電磁粒子動(dòng)力學(xué)計(jì)算問題，能對(duì)表面充電過程進(jìn)行模擬。
　　在高梯度表面微