纳秒脉冲放电中高能电子能谱的研究

• 作 者: 侯兴民
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 纳秒脉冲 气体放电 逃逸电子 束流特性 能谱特性

纳秒脉冲作用下气体放电会产生高能逃逸电子和X射线，基于纳秒脉冲气体放电中出现的高能电子逃逸击穿现象，国内外研究人员进行了大量实验研究。传统放电理论并不能很好的解释窄脉冲下逃逸电子产生机理，但目前被广泛接受的是气隙中高能逃逸电子和随之产生的X射线主导纳秒脉冲放电的发展。因此本文改进加工了新型三通道逃逸电子收集器，对脉冲放电产生的逃逸电子进行了直接和间接测量，分析了各放电参数下的高能逃逸电子束流特性和能谱特性。　　本文利用上升沿1～2ns、脉宽3～5ns、幅值约120kV的负脉冲电源激励管板电极结构放电，利用设计加工的三通道逃逸电子束流收集装置（即Collector5.0）进行逃逸电子直接测量，得到幅值约14mA、上升沿约130ps的三路逃逸电子束流信号，三路信号间有200ps和120ps时间相位延迟，距阴极中心越远高能逃逸电子束流幅值越小，峰值产生时间越晚，基本与距离成正比，间接表明放电呈弥散状。实验研究了不同吸收体材料、阴极结构和材料、阳极材料和厚度、气体环境等对逃逸电子束流的影响，实验结果表明大气压下利用collector可以测量到脉冲上升沿最短约100ps、幅值约0.02～2A的逃逸电子束流信号，积分得到典型的逃逸电子数目在108数量级。　　利用叠片法计算并拟合出高能逃逸电子能谱，得到的各能量区间电子数在107数量级，在40keV左右和80keV以上有两个峰值;随着放电间隙的减小，高能电子部分比例不变，但各部分能谱数值变高;随气压降低逃逸电子能谱数值显著增加，但低能电子部分比例不变;纯SF6中能谱普遍较小，呈凹形分布，高能部分电子比例较高约22.2％，纯N2中低能电子部分比例较大，而两者按9∶1混合的气体中各部分能谱数值都比两者大，呈单峰分布，峰值约在50keV左右，高能电子部分比例介于两者之间。　　此外，本文利用数值模拟验证了本文实验条件下能够产生逃逸电子，电子密度的时空演变呈钳状发展趋势，放电区域电子密度约2×1019m-3。此外，本文搭建X射线测量装置得到幅值约10V，上升沿约1ns，脉宽约1.5ns的X射线信号，计算出X射线能量约2.9×10-3J。X射线幅值随气隙距离的增加和阳极厚度的增加而逐渐降低，该结果和直接测量逃逸电子结果相吻合。最后结合所有测量结果，归纳分析了纳秒脉冲放电机理，并对其中高能逃逸电子和X射线的作用进行了详细解释。