專利名稱:重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及絕緣介質(zhì)在重復(fù)頻率納秒脈沖下?lián)舸┨匦缘膶?shí)驗(yàn)方法及裝置,特別涉及納秒高壓脈沖下氣體介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法及裝置。
背景技術(shù):
有關(guān)氣體、液體和固體電介質(zhì)在直流、工頻交流和雷電波沖擊脈沖等常規(guī)條件下的擊穿特性已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)多的研究。近年來,非常規(guī)條件下電介質(zhì)材料性能及高電壓絕緣技術(shù),不同形式和條件的氣體放電規(guī)律等引起了國內(nèi)外研究關(guān)注,尤其是窄脈沖下?lián)舸┨匦允且粋€(gè)研究熱點(diǎn)。納秒脈沖、高場(chǎng)強(qiáng)等極端條件下電介質(zhì)擊穿特性的研究越來越受到關(guān)注,納秒脈沖氣體放電研究源于脈沖功率技術(shù)迅速發(fā)展的需求,目前國內(nèi)外研究較少涉及。國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)等相繼開展了一些納秒脈沖介質(zhì)擊穿的研究工作。其中美國的Sandia等國家實(shí)驗(yàn)室、空軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍武器研究中心、德州技術(shù)大學(xué)脈沖功率技術(shù)實(shí)驗(yàn)室;俄羅斯(包括前蘇聯(lián))科學(xué)院下屬的大電流研究所、電物理所、高溫所等研究所;英國原子武器研究中心、斯特拉思克萊德大學(xué)等進(jìn)行了有關(guān)納秒脈沖擊穿的研究工作。近年來國內(nèi)諸如中國工程物理研究院、西北核技術(shù)研究所、中科院電工所、清華大學(xué)等單位也開展了少量的研究工作,但目前普遍缺少重復(fù)頻率納秒脈沖下介質(zhì)擊穿特性方面的研究,尤其是氣體方面的研究結(jié)果。目前納秒脈沖下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本都是單次脈沖下的擊穿結(jié)果,多是測(cè)量擊穿電壓與電流等信號(hào),而少量重復(fù)頻率納秒脈沖下的結(jié)果也是測(cè)量其中某個(gè)單次脈沖下的結(jié)果或者設(shè)計(jì)一個(gè)專門的電路來測(cè)量重復(fù)頻率脈沖序列。重復(fù)頻率納秒脈沖下?lián)舸┦窃谑┘右恍蛄械拿}沖后才擊穿,擊穿需要承受一定的時(shí)間,而不同于直流、交流或單次脈沖下?lián)舸┲挥幸粋€(gè)相對(duì)很短的時(shí)延,而且每個(gè)脈沖是納秒級(jí)脈寬,而擊穿承受的時(shí)間是很長的,可以達(dá)到數(shù)十秒或更長,一般需要一個(gè)高速的控制和采集電路來測(cè)量得到施加的脈沖個(gè)數(shù)及脈沖波形。文獻(xiàn)(Rev.Sci.Instr.59(7),1988)提供了一種相對(duì)較為簡(jiǎn)單的電子線路提供實(shí)時(shí)觸發(fā)和分段測(cè)量,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量重復(fù)頻率脈沖的脈沖波形和脈沖個(gè)數(shù),但這種電路一般測(cè)量的脈沖脈寬一般是微秒級(jí),而且能完成測(cè)量連續(xù)脈沖的最高頻率是40Hz。此外,重復(fù)頻率納秒脈沖下需要設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)間隙擊穿后防止脈沖電源長期處于短路狀態(tài),確保脈沖電源的安全。因此重復(fù)頻率納秒脈沖下的擊穿電壓、電流不同于傳統(tǒng)方法,需要測(cè)量重復(fù)頻率納秒脈沖施加的時(shí)間,并能自動(dòng)關(guān)停脈沖電源。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿實(shí)驗(yàn)方法及裝置,不需要設(shè)計(jì)專門的電子線路來測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)脈沖電源的自動(dòng)關(guān)停。本發(fā)明可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展不同絕緣介質(zhì)在重復(fù)頻率納秒脈沖下的擊穿和閃絡(luò)特性,可適用于氣體、液體、固體的體擊穿,或其中兩種介質(zhì)交界面的閃絡(luò),獲得反映各種絕緣材料的擊穿和閃絡(luò)特性數(shù)據(jù),分析得到不同介質(zhì)在納秒脈沖極端條件下的絕緣特性。
本發(fā)明重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法說明如下首先確定脈沖電源的輸出電壓,調(diào)節(jié)一定的擊穿電極間隙后,預(yù)置脈沖發(fā)生器的輸出脈沖頻率,由脈沖發(fā)生器發(fā)出啟動(dòng)脈沖使脈沖電源輸出重復(fù)頻率高壓脈沖,同時(shí)示波器也被觸發(fā)啟動(dòng),并有一個(gè)通道擊穿。當(dāng)經(jīng)過一定的耐受時(shí)間后,擊穿電極的間隙被擊穿,擊穿電壓和擊穿電流分別被電壓傳感器和電流傳感器檢測(cè)到,并由電流傳感器的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)示波器,由示波器記錄下?lián)舸r(shí)的電壓與電流信號(hào)。在示波器被電流傳感器檢測(cè)到的擊穿電流信號(hào)觸發(fā)時(shí),示波器的一個(gè)邏輯端口TTL會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào),這個(gè)信號(hào)被示波器的另一個(gè)測(cè)量通道檢測(cè)得到,從示波器被觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)開始到低電平信號(hào)的起始處為一次實(shí)驗(yàn)中重復(fù)頻率的耐受時(shí)間,同時(shí)該示波器邏輯端口TTL輸出的信號(hào)也同步被送入脈沖發(fā)生器的外觸發(fā)端口內(nèi)實(shí)現(xiàn)脈沖電源的自動(dòng)關(guān)停,最后測(cè)量得到的電壓、電流、耐受時(shí)間信號(hào)被送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ),并由此進(jìn)一步分析擊穿特性。
應(yīng)用本發(fā)明重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法的裝置包括重復(fù)頻率納秒脈沖電源、脈沖發(fā)生器、保護(hù)電阻、實(shí)驗(yàn)腔、電流測(cè)量傳感器、電壓測(cè)量傳感器、寬頻高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器、微型計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的輸出分別接入重復(fù)頻率納秒脈沖電源和示波器8,脈沖電源地輸出端分別接電壓測(cè)量傳感器和保護(hù)電阻,保護(hù)電阻的另一端接實(shí)驗(yàn)腔,實(shí)驗(yàn)腔的輸出接電流傳感器后接地,電流傳感器和電壓傳感器信號(hào)輸出端通過等長同軸電纜接示波器7,同時(shí)示波器7的邏輯端口TTL接入示波器8的輸入端口,示波器7邏輯端口TTL輸出的信號(hào)也同步被送入脈沖發(fā)生器的外觸發(fā)端口內(nèi),兩臺(tái)示波器通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接卡接入計(jì)算機(jī)。其中重復(fù)頻率納秒脈沖電源為Marx發(fā)生器和脈沖形成線結(jié)構(gòu)電源,或者基于半導(dǎo)體斷路開關(guān)的高重復(fù)頻率脈沖電源。脈沖發(fā)生器為產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)脈沖的控制脈沖發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)腔由帶三通閥門及氣壓表的換氣嘴、螺桿及螺母、旋鈕桿、動(dòng)密封旋鈕、金屬端蓋、支撐金屬板、接線柱、有機(jī)玻璃殼體、擊穿電極、光纖導(dǎo)口、接地金屬塊組成,金屬端蓋和有機(jī)玻璃殼體通過螺桿及螺母連接,并形成一個(gè)圓柱狀的腔體結(jié)構(gòu);脈沖電源發(fā)出的高壓重復(fù)頻率脈沖通過接線柱加到上金屬電極上,形成高電位的導(dǎo)體;上金屬電極通過支撐金屬板、金屬端蓋固定在有機(jī)玻璃腔中;旋鈕桿可以用來調(diào)節(jié)上金屬導(dǎo)體位置并測(cè)量金屬電極間的距離;氣體介質(zhì)可以通過端蓋上換氣嘴處的三通閥門進(jìn)入由端蓋和有機(jī)玻璃殼體形成的腔體,氣壓可達(dá)0.6MPa,液體可以通過打開端蓋直接往實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)注入液體,固體可以直接夾在電極之間,由于上端口的重量也能保證固體與金屬電極之間的緊密接觸;實(shí)驗(yàn)裝置的端蓋、有機(jī)玻璃殼體、金屬接地塊、光纖導(dǎo)口、接線柱等部位的連接處采用密封圈或者密封膠進(jìn)行密封處理。電壓測(cè)量傳感器為耦合電容型電容分壓器,是在脈沖電源或者實(shí)驗(yàn)腔的金屬殼上粘上一層很薄的環(huán)氧樹脂層,再在環(huán)氧樹脂層上覆上一層銅皮,在高壓導(dǎo)體和銅皮構(gòu)成電容分壓器的高壓臂電容,銅皮與金屬外殼構(gòu)成低壓臂電容,細(xì)導(dǎo)線與銅皮焊接后引出被測(cè)電壓,通過同軸接頭送入示波器。電流測(cè)量傳感器為無感電阻分流器,在選取合適的無感電阻,無感電阻的數(shù)量根據(jù)示波器能允許的最高電壓及擊穿實(shí)驗(yàn)時(shí)的電流峰值決定,一般為10-20個(gè),焊接在圓柱狀的銅管上,焊成一圈。無感電阻的另一端焊在一起并與高壓引線焊接,銅管上端與接地板連接,高壓引線、銅管下端分別與同軸接頭的高、低壓端焊接。
目前國內(nèi)外關(guān)于重復(fù)納秒脈沖擊穿的實(shí)驗(yàn)很少,而且測(cè)量電壓、電流基本都是測(cè)量單次脈沖的電壓、電流或者脈沖包絡(luò)線波形,施加脈沖的時(shí)間、防止脈沖電源的長期短路都需要設(shè)計(jì)專門的電子線路來測(cè)量。本發(fā)明在借助電壓、電流傳感器及示波器可以方便簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率納秒脈沖擊穿實(shí)驗(yàn)中相關(guān)信號(hào)的測(cè)量。
圖1為重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿實(shí)驗(yàn)裝置組成原理圖,圖中1重復(fù)頻率納秒脈沖電源,2脈沖發(fā)生器,3保護(hù)電阻,4實(shí)驗(yàn)腔,5電流測(cè)量傳感器,6電壓測(cè)量傳感器,7和8寬頻高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器,9微型計(jì)算機(jī);圖2為實(shí)驗(yàn)腔4結(jié)構(gòu)示意圖,圖中10三通閥門及氣壓表的換氣嘴,11螺桿及螺母,12旋鈕螺桿,13動(dòng)密封旋鈕,14金屬端蓋,15支撐金屬板,16接線柱,17有機(jī)玻璃殼體,18金屬電極,19光纖導(dǎo)口,20接地金屬塊;圖3為電壓測(cè)量傳感器6結(jié)構(gòu)示意圖,圖中21高壓導(dǎo)體,22銅皮,23環(huán)氧樹脂層,24金屬外殼,25細(xì)導(dǎo)線;圖4為電流測(cè)量傳感器5結(jié)構(gòu)示意圖,圖中26高壓引線,27絕緣板,28接地板,29銅管,30無感電阻,31同軸接頭;圖5為重復(fù)頻率脈沖的耐受時(shí)間測(cè)量示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示,本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置包括重復(fù)頻率納秒脈沖電源1、脈沖發(fā)生器2、保護(hù)電阻3、實(shí)驗(yàn)腔4、電流測(cè)量傳感器5、電壓測(cè)量傳感器6、寬頻高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器7、8、微型計(jì)算機(jī)9。脈沖發(fā)生器2的輸出分別接入重復(fù)頻率納秒脈沖電源1和示波器8,脈沖電源1地輸出端分別接電壓測(cè)量傳感器5和保護(hù)電阻3,保護(hù)電阻3的另一端接實(shí)驗(yàn)腔4,實(shí)驗(yàn)腔4的輸出接電流測(cè)量傳感器5后接地,電流測(cè)量傳感器5和電壓測(cè)量傳感器6信號(hào)輸出端通過等長同軸電纜接示波器7,同時(shí)示波器7的邏輯端口TTL接入示波器8的輸入端口,示波器7邏輯端口TTL輸出的信號(hào)也同步被送入脈沖發(fā)生器2的外觸發(fā)端口內(nèi),兩臺(tái)示波器7和8通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接卡接入計(jì)算機(jī)9。其中重復(fù)頻率納秒脈沖電源1為Marx發(fā)生器和脈沖形成線結(jié)構(gòu)電源,或者基于半導(dǎo)體斷路開關(guān)的高重復(fù)頻率脈沖電源。脈沖發(fā)生器2為產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)脈沖的控制脈沖發(fā)生器。
圖2所示為實(shí)驗(yàn)腔4結(jié)構(gòu)。如圖2所示,實(shí)驗(yàn)腔4由帶三通閥門及氣壓表的換氣嘴10、螺桿及螺母11、旋鈕螺桿12、動(dòng)密封旋鈕13、金屬端蓋14、支撐金屬板15、接線柱16、有機(jī)玻璃殼體17、金屬電極18、光纖導(dǎo)口19、接地金屬塊20組成。其中金屬端蓋14被固定在有機(jī)玻璃殼體17上;三通閥門及氣壓表的換氣嘴10、旋鈕桿12、動(dòng)密封旋鈕13都安裝在金屬端蓋14上;接線柱16固定在有機(jī)玻璃殼體17上;下金屬電極18固定在有機(jī)玻璃殼體17內(nèi),并與接地金屬塊20連接;旋轉(zhuǎn)螺桿12上半部分固定在動(dòng)密封裝置中,中間部分固定在支撐金屬板15上并與接線柱16連接;金屬電極18由上下兩個(gè)金屬電極構(gòu)成,上金屬電極與旋轉(zhuǎn)螺桿12連接,下金屬電極與接地金屬塊20連接;在上金屬端蓋14和有機(jī)玻璃殼體17通過螺桿及螺母11連接,并形成一個(gè)圓柱狀的腔體結(jié)構(gòu);脈沖電源1發(fā)出的高壓重復(fù)頻率脈沖通過接線柱16加到上金屬電極18上,形成高電位的導(dǎo)體;上金屬電極18通過支撐金屬板15、金屬端蓋14固定在有機(jī)玻璃腔17中;旋鈕螺桿12用來調(diào)節(jié)上、下兩個(gè)金屬電極18的之間的相對(duì)位置,并可用游標(biāo)卡尺測(cè)量上、下兩個(gè)金屬電極18間的距離;氣體介質(zhì)可以通過端蓋14上換氣嘴10處的三通閥門進(jìn)入由端蓋14和有機(jī)玻璃殼體17形成的腔體,氣壓可達(dá)0.6MPa;液體介質(zhì)可以直接注入到腔體內(nèi),固體介質(zhì)可以直接夾在上、下兩個(gè)金屬電極18之間;實(shí)驗(yàn)裝置的金屬端蓋14、有機(jī)玻璃殼體17、金屬接地塊20、光纖導(dǎo)口19、接線柱16等部位的連接處采用密封圈或者密封膠進(jìn)行密封處理。
如圖3所示,電壓測(cè)量傳感器6為耦合電容型電容分壓器,是在脈沖電源1或者實(shí)驗(yàn)腔4的金屬殼24上粘上一層很薄的環(huán)氧樹脂層23,再在環(huán)氧樹脂層23上覆上一層銅皮22,高壓導(dǎo)體21和銅皮22構(gòu)成電容分壓器6的高壓臂電容,銅皮22與金屬外殼24構(gòu)成低壓臂電容,細(xì)導(dǎo)線25與銅皮22焊接后引出被測(cè)電壓,通過同軸接頭送入示波器7。
如圖4所示,電流測(cè)量傳感器5為無感電阻分流器,10個(gè)無感電阻30焊接在圓柱狀的銅管29上,并聯(lián)形成一圈,并聯(lián)后的阻值一般0.1-0.2歐姆。無感電阻30的另一端焊在一起并與高壓引線26串聯(lián)焊接,銅管29上端與接地板28連接,高壓引線26、銅管29下端分別與同軸接頭31的高、低壓端焊接,有機(jī)玻璃或者尼龍的絕緣環(huán)可用螺母套在高壓引線26下,固定在接地板28上,保證高壓引線26與接地板28之間的絕緣。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)方法步驟如下首先確定脈沖電源1的輸出電壓,調(diào)節(jié)一定的擊穿電極18間隙后,預(yù)置脈沖發(fā)生器2的輸出脈沖頻率,由脈沖發(fā)生器2發(fā)出啟動(dòng)脈沖使脈沖電源1輸出重復(fù)頻率高壓脈沖,同時(shí)示波器8也被觸發(fā)啟動(dòng),并有一個(gè)通道擊穿。當(dāng)經(jīng)過一定的耐受時(shí)間后,擊穿電極18的間隙被擊穿,擊穿電壓和擊穿電流分別被電壓傳感器6和電流傳感器5檢測(cè)到,并由電流傳感器5的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)示波器7,由示波器7記錄下?lián)舸r(shí)的電壓與電流信號(hào)。在示波器7被電流傳感器5檢測(cè)到的擊穿電流信號(hào)觸發(fā)時(shí),示波器7的一個(gè)邏輯端口TTL會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào),這個(gè)信號(hào)被示波器8的另一個(gè)測(cè)量通道檢測(cè)得到,從示波器8被觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)開始到低電平信號(hào)的起始處為一次實(shí)驗(yàn)中重復(fù)頻率的耐受時(shí)間。最后測(cè)量得到的電壓、電流、耐受時(shí)間信號(hào)被送至計(jì)算機(jī)9存儲(chǔ),并由此進(jìn)一步分析擊穿特性。
具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)包括氣體、液體、固體的體擊穿實(shí)驗(yàn),及不同絕緣介質(zhì)的交界面的沿面閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置可以進(jìn)行上述的各種體擊穿及沿面閃絡(luò)特性實(shí)驗(yàn)。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的模擬實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法做進(jìn)一步描述。
1、測(cè)量擊穿時(shí)的電壓及電流信號(hào)。在確定好間隙距離、脈沖電源1的輸出電壓,首先進(jìn)行一定數(shù)量的單次脈沖下的擊穿實(shí)驗(yàn),如果間隙在單次脈沖下可以擊穿,則需要再調(diào)整間隙條件,使得單次脈沖下無法擊穿。當(dāng)間隙在單次脈沖下不能擊穿時(shí),預(yù)置脈沖發(fā)生器2的輸出脈沖頻率,同時(shí)調(diào)節(jié)示波器7為單次觸發(fā)模式,并由電流傳感器5對(duì)應(yīng)的通道作為觸發(fā)通道,并確定一定的觸發(fā)值,該觸發(fā)值要稍稍高于干擾噪聲的峰值。當(dāng)間隙被擊穿時(shí),擊穿電壓和擊穿電流分別被電壓傳感器6和電流傳感器5檢測(cè)到,并由示波器7同步檢測(cè)到擊穿時(shí)的電壓、電流信號(hào)。電壓電流信號(hào)均通過屏蔽電纜并在終端配備匹配電阻后接入示波器7的通道接頭。
2、重復(fù)頻率脈沖耐受時(shí)間的測(cè)量。不同于單次脈沖擊穿,重復(fù)頻率納秒脈沖擊穿是在施加持續(xù)一定時(shí)間后完成的,需要測(cè)量這個(gè)持續(xù)時(shí)間及施加的脈沖個(gè)數(shù)。本發(fā)明提供了一種只需要示波器配合就可以測(cè)量得到,如圖5所示。方法是首先給示波器8預(yù)置一定的掃描時(shí)間后,將脈沖發(fā)生器2的啟動(dòng)信號(hào)同步送入示波器8的一個(gè)通道中,該信號(hào)會(huì)給示波器8一個(gè)掃描起始信號(hào)。同時(shí)示波器7的一個(gè)邏輯端口TTL的輸出接入示波器8的另一個(gè)通道上。當(dāng)間隙被擊穿時(shí),邏輯端口TTL會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào),這個(gè)信號(hào)也會(huì)被示波器8采集到。則本次擊穿實(shí)驗(yàn)的重復(fù)頻率納秒脈沖耐受時(shí)間就是從掃描起始信號(hào)點(diǎn)到低電平信號(hào)出現(xiàn)的起始點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)測(cè)量得到的耐受時(shí)間,可以計(jì)算得到本次擊穿實(shí)驗(yàn)所施加的納秒脈沖個(gè)數(shù),計(jì)算公式如下N=[f·T+1](1)在式(1)中,N為計(jì)算得到的脈沖個(gè)數(shù),f為施加的脈沖重復(fù)頻率,單位Hz,T為測(cè)量得到的耐受時(shí)間,單位s。N的計(jì)算值取整數(shù)部分。
3、擊穿后實(shí)現(xiàn)脈沖電源1的自動(dòng)關(guān)停。在脈沖電源1發(fā)出一序列的脈沖后,間隙擊穿后,放電回路被短路,通過電流傳感器測(cè)量到的信號(hào)觸發(fā)示波器7記錄到電壓、電流信號(hào)的同時(shí),示波器7的邏輯端口TTL的輸出送入示波器8的同時(shí),也同步給觸發(fā)脈沖發(fā)生器2一個(gè)觸發(fā)信號(hào),觸發(fā)脈沖發(fā)生器停止給脈沖電源1控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)了脈沖電源1不再給間隙施加高壓脈沖,電源被自動(dòng)關(guān)停。
4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。對(duì)不同的間隙條件、不同的施加電壓幅值、重復(fù)頻率等條件下實(shí)驗(yàn),可以得到不同的電壓、電流信號(hào)及耐受時(shí)間等,并通過示波器7和8記錄此時(shí)的波形,并可由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接卡等送至計(jì)算機(jī)保存。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性,考慮到擊穿實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分類編號(hào)記錄。
本發(fā)明提供的重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿實(shí)驗(yàn)方法及裝置,可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展氣體、液體及固體介質(zhì)在重復(fù)頻率納秒脈沖下的擊穿特性實(shí)驗(yàn)分析,測(cè)量高壓納秒脈沖電壓、電流信號(hào),并提供測(cè)量重復(fù)頻率脈沖施加的時(shí)間,采集的信號(hào)波形經(jīng)由示波器送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)處理。該發(fā)明可廣泛用于教學(xué)、科研院所和設(shè)備制造廠家,用于對(duì)納秒脈沖下介質(zhì)擊穿特性的理論分析和應(yīng)用研究。
權(quán)利要求
1.一種重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法,其特征在于,首先確定脈沖電源(1)的輸出電壓,調(diào)節(jié)一定的擊穿電極(18)間隙后,預(yù)置脈沖發(fā)生器(2)的輸出脈沖頻率,由脈沖發(fā)生器(2)發(fā)出啟動(dòng)脈沖使脈沖電源(1)輸出重復(fù)頻率高壓脈沖,同時(shí)示波器(8)也被觸發(fā)啟動(dòng),并有一個(gè)通道擊穿;當(dāng)經(jīng)過一定的耐受時(shí)間后,擊穿電極(18)的間隙被擊穿,擊穿電壓和擊穿電流分別被電壓傳感器(6)和電流傳感器(5)檢測(cè)到,并由電流傳感器(5)的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)示波器(7),由示波器(7)記錄下?lián)舸r(shí)的電壓與電流信號(hào);在示波器(7)被電流傳感器(5)檢測(cè)到的擊穿電流信號(hào)觸發(fā)時(shí),示波器(7)的一個(gè)邏輯端口TTL會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào),這個(gè)信號(hào)被示波器(8)的另一個(gè)測(cè)量通道檢測(cè)得到,同時(shí)示波器(7)邏輯端TTL輸出的信號(hào)也同步被送入脈沖發(fā)生器(2)的外觸發(fā)端口內(nèi)實(shí)現(xiàn)脈沖電源(1)的自動(dòng)關(guān)停,從示波器(8)被觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)開始到低電平信號(hào)的起始處為一次實(shí)驗(yàn)中重復(fù)頻率的耐受時(shí)間;最后測(cè)量得到的電壓、電流、耐受時(shí)間信號(hào)被送至計(jì)算機(jī)(9)存儲(chǔ),并由此進(jìn)一步分析介質(zhì)的擊穿特性。
2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法的裝置,其特征在于包括重復(fù)頻率納秒脈沖電源(1)、脈沖發(fā)生器(2)、保護(hù)電阻(3)、實(shí)驗(yàn)腔(4)、電流測(cè)量傳感器(5)、電壓測(cè)量傳感器(6)、寬頻高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器(7、8)、微型計(jì)算機(jī)(9);脈沖發(fā)生器(2)的輸出分別接入重復(fù)頻率納秒脈沖電源(1)和示波器(8),脈沖電源(1)地輸出端分別接電壓測(cè)量傳感器(5)和保護(hù)電阻(3),保護(hù)電阻(3)的另一端接實(shí)驗(yàn)腔(4),實(shí)驗(yàn)腔(4)的輸出接電流測(cè)量傳感器(5)后接地,電流測(cè)量傳感器(5)和電壓測(cè)量傳感器(6)信號(hào)輸出端通過等長同軸電纜接示波器(7),同時(shí)示波器(7)的邏輯端口TTL接入示波器(8)的輸入端口,示波器(7)邏輯端口TTL輸出的信號(hào)也同步被送入脈沖發(fā)生器(2)的外觸發(fā)端口內(nèi),兩臺(tái)示波器(7、8)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接卡接入計(jì)算機(jī)(9)。
3.按照權(quán)利要求2所述的重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法的裝置,其特征在于實(shí)驗(yàn)腔(4)由帶三通閥門及氣壓表的換氣嘴(10)、螺桿及螺母(11)、旋鈕螺桿(12)、動(dòng)密封旋鈕(13)、金屬端蓋(14)、支撐金屬板(15)、接線柱(16)、有機(jī)玻璃殼體(17)、金屬電極(18)、光纖導(dǎo)口(19)、接地金屬塊(20)組成;金屬端蓋(14)被固定在有機(jī)玻璃殼體(17)上;三通閥門及氣壓表的換氣嘴(10)、旋鈕桿(12)、動(dòng)密封旋鈕(13)都安裝在金屬端蓋(14)上;接線柱(16)固定在有機(jī)玻璃殼體(17)上;下金屬電極(18)固定在有機(jī)玻璃殼體(17)內(nèi),并與接地金屬塊(200連接;旋轉(zhuǎn)螺桿(120上半部分固定在動(dòng)密封裝置中,中間部分固定在支撐金屬板(15)上并與接線柱(16)連接;金屬電極(18)由上下兩個(gè)金屬電極構(gòu)成,上金屬電極與旋轉(zhuǎn)螺桿(12)連接,下金屬電極與接地金屬塊(20)連接;在上金屬端蓋(14)和有機(jī)玻璃殼體(17)通過螺桿及螺母(11)連接,形成一個(gè)圓柱狀的腔體結(jié)構(gòu);脈沖電源(1)發(fā)出的高壓重復(fù)頻率脈沖通過接線柱(16)加到上金屬電極(18)上,形成高電位的導(dǎo)體;上金屬電極(18)通過支撐金屬板(15)、金屬端蓋(14)固定在有機(jī)玻璃腔(17)中;旋鈕螺桿(12)用來調(diào)節(jié)上、下兩個(gè)金屬電極(18)的之間的相對(duì)位置;氣體介質(zhì)通過端蓋(14)上換氣嘴(10)處的三通閥門進(jìn)入由端蓋(14)和有機(jī)玻璃殼體(17)形成的腔體;液體介質(zhì)直接注入到腔體內(nèi),固體介質(zhì)直接夾在上、下兩個(gè)金屬電極(18)之間;實(shí)驗(yàn)裝置的金屬端蓋(14)、有機(jī)玻璃殼體(17)、金屬接地塊(20)、光纖導(dǎo)口(19)、接線柱(16)等部位的連接處采用密封圈或者密封膠進(jìn)行密封處理。
4.按照權(quán)利要求2所述的重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法的裝置,其特征在于電壓測(cè)量傳感器(6)為耦合電容型電容分壓器,是在脈沖電源(1)或者實(shí)驗(yàn)腔(4)的金屬殼(24)上粘上一層很薄的環(huán)氧樹脂層(23),再在環(huán)氧樹脂層(23)上覆上一層銅皮(22),高壓導(dǎo)體(21)和銅皮(22)構(gòu)成電容分壓器(6)的高壓臂電容,銅皮(22)與金屬外殼(24)構(gòu)成低壓臂電容,細(xì)導(dǎo)線(25)與銅皮(22)焊接后引出被測(cè)電壓,通過同軸接頭送入示波器(7)。
5.按照權(quán)利要求2所述的重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法的裝置,其特征在于電流測(cè)量傳感器(5)為無感電阻分流器,無感電阻(30)焊接在圓柱狀的銅管(29)上,并聯(lián)形成一圈;無感電阻(30)的另一端焊在一起并與高壓引線(26)串聯(lián)焊接,銅管(29)上端與接地板(28)連接,高壓引線(26)、銅管(29)下端分別與同軸接頭(31)的高、低壓端焊接,有機(jī)玻璃或者尼龍的絕緣環(huán)用螺母套在高壓引線(26)下,固定在接地板(28)上。
全文摘要
一種重復(fù)頻率納秒脈沖介質(zhì)擊穿特性實(shí)驗(yàn)方法和裝置,確定脈沖電源(1)的輸出電壓,調(diào)節(jié)擊穿電極(18)間隙,脈沖發(fā)生器(2)發(fā)出啟動(dòng)脈沖,使脈沖電源(1)輸出重復(fù)頻率高壓脈沖,示波器(8)被觸發(fā)啟動(dòng),并有一個(gè)通道擊穿;經(jīng)過一定的耐受時(shí)間后,擊穿電極(18)的間隙被擊穿,電壓傳感器(6)和電流傳感器(5)檢測(cè)擊穿電壓和擊穿電流,示波器(7)記錄擊穿時(shí)的電壓與電流信號(hào)。此時(shí)示波器(7)的邏輯端口TTL發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)被示波器(8)的另一測(cè)量通道檢測(cè)到,同時(shí)示波器(7)邏輯端口TTL輸出的信號(hào)也同步送入脈沖發(fā)生器(2)的外觸發(fā)端口內(nèi)實(shí)現(xiàn)脈沖電源(1)的自動(dòng)關(guān)停,最后測(cè)量得到電壓、電流和耐受時(shí)間信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R31/12GK1945305SQ200610113549
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者邵濤, 孫廣生, 嚴(yán)萍, 袁偉群, 王玨, 張適昌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所