摘要:在真空间隙击穿机理的理论基础上,设计了高压多脉冲下真空间隙的击穿实验方案,对相同材料的多对电极间隙在高压单脉冲和三脉冲下的真空击穿特性进行了实验研究。实验结果与脉冲下真空间隙的击穿机理相符,对脉冲数量增加对真空间隙宏观击穿场强的影响进行了验证,推断出了决定真空间隙宏观击穿场强的关键因素,并对多脉冲加速间隙最大宏观场强的设计提出了建议。
直线感应加速器运行时,感应腔加速间隙承受的脉冲电压高达数百kV,持续时间大于100 ns,因此在感应加速腔设计时,其加速间隙必须有足够的宽度,以确保在脉冲电压加载时不会发生真空击穿。而加速间隙的增加对加速电场和束输运磁场都有不利的影响,所以在确保加速间隙不发生击穿的前提下,为了提高加速梯度、获得更好的束流质量,加速间隙的宽度越小越好。因此,确定真空间隙的最小宏观击穿场强是加速间隙设计的关键。
1 真空间隙击穿机理
对于长度为cm量级的真空间隙击穿机理在理论上已不存在重大分歧[1],总的来说,真空间隙的击穿分为两个阶段:击穿的引燃和击穿电流的增长。
多项研究均证明脉冲击穿的引燃作用决定于阴极上晶须的爆炸[1-2]。由于阴极表面不可避免有随机的突起(晶须),在电压加载后晶须处的场强可以被增强几十到数百倍,可以导致足够强的场致发射电子,而当场致发射电流足够引起尖端过热时(焦耳加热),将会引发晶须爆炸。同时亦有实验证明,火花电流在阴极晶须爆炸后才开始增长,而阳极上发光的光焰是电流开始增长以后产生的[1],因此阳极材料的蒸发与脉冲击穿的引燃无关。另外,有实验证明,当真空度小于1×10-2Pa后,其对击穿引燃的影响可忽略不计[1-2]。
相对击穿的引燃,击穿电流的增长要更复杂一些,与电极的材料、形状、间距等许多因素相关。由于电流的增长必然发生在引燃之后,如何避免击穿的引燃才是加速间隙设计的关键,因此对于击穿电流的增长过程本文不作讨论。
2 实验设计
对于加速间隙,所能够确定的是在设定电压下间隙的最大宏观场强,因此在间隙设计时必须保证在该宏观场强下不会发生脉冲击穿。
电极晶须的大小和分布总是随机的,只依靠理论计算不可能求出间隙击穿的宏观场强;同样,由于宏观电场随间隙大小变化的规律和晶须处电场随间隙大小变化的规律有很大的差别,因此在低压下得到的宏观击穿场强在高压下将不再准确。由此可知,要确定加速间隙的最小宏观击穿场强,必须对相同材料、相同表面处理的电极间隙在相同电压和脉冲下的多次实验数据进行分析才能得到。
传统的直线感应加速器都是单次运行,其加速腔加载的脉冲幅度通常大于200 kV,脉宽100 ns左右[3]。目前对于单脉冲直线感应加速器加速间隙的设计已有较多的实例和实验数据可供参考,设计时通常将加速间隙的最大宏观场强控制在200 kV/cm左右。但对于多脉冲直线感应加速器[4],目前世界上尚无先例,脉冲数量增加对加速间隙宏观击穿场强的影响大小需要进行实验测定。
通过延时机控制3根并联的Blumlein脉冲形成线依次延后500 ns触发,通过高压快关断硅堆隔离后连接到输出电缆可形成间隔500 ns的高压三脉冲串[5]。图1为三脉冲功率系统的输出波形。
将高压三脉冲串馈入到如图2所示的真空测试腔中,通过测试腔顶端的密封螺杆精细调节真空中电极间的距离;通过观察窗检测真空中电极间隙是否击穿;通过匹配电阻Rm测量击穿时的脉冲电压幅度;通过10Ω水阻Rs限制击穿电流的最大值,以保护功率系统。
实验采用平板电极和球面电极组成真空间隙,这样最大宏观场强处的位置可以较准确的确定(球电极的顶点),同时两电极法向轴线如存在一定倾角也不会使宏观场强的计算产生明显的误差。为了测量不同阴极面曲率对击穿场强的影响,实验中使用了3种不同的阴阳极组合:平板阴极+球面阳极;35 mm半径球面阴极+平板阳极;50 mm半径球阴极+平板阳极,如图3所示。
3 实验结果及分析
直线感应加速器加速腔通常的加工材料为零锘不锈钢,以避免材料磁化对束输运磁场的影响。实验共加工了26对电极,材料均为零锘不锈钢,电极表面处理采用了3种方式:机械抛光处理(4对)、0.15 mm直径钢珠喷丸处理(4对)和0.15 mm直径玻璃珠湿喷处理(18对)。实验前,利用ANSYS电磁场模拟软件对不同间隙形状和宽度所对应的阴阳极表面最大宏观场强进行了模拟计算,如图4所示。实验放电共500余次,温度13~15℃,真空度2~5×10-3Pa,脉冲幅度200 kV,每对电极只进行单脉冲或三脉冲实验,脉冲幅度保持不变,从较大的间隙开始实验,每一间隙宽度放电2~5次,如未出现击穿则减小间隙0.5 mm后继续放电,直至击穿。击穿发生时,如不是该间隙宽度的首次放电,则宏观击穿场强为该间隙所对应的最大阴极场强;如某间隙宽度的首次放电便发生击穿,则认为宏观击穿场强为该间隙宽度+0.25 mm后所对应的最大阴极场强。各电极真空间隙在单脉冲和三脉冲下的宏观击穿场强如图5所示。下面对实验结果进行介绍和分析:
(1)真空间隙在脉冲击穿后,阴阳极的焦斑有较大差异。其中阳极的焦斑与金属烧蚀后的痕迹相似,应该是大量电子轰击阳极表面形成;阴极的焦斑较浅,类似呈辐射状分布的粉末,应该是晶须爆炸后溅射产生的。该实验现象与真空间隙击穿机理相符,可间接证明脉冲击穿的引燃是有阴极表面晶须爆炸引起的。阴阳极表面的焦斑特征如图6所示。
(2)实验中发现,真空间隙的击穿点(焦斑位置)通常不在间隙宏观场强最高点(球面顶点),而是在其附近。该现象说明宏观场强并不是真空间隙击穿的决定性因素,随机分布的晶须才是导致间隙击穿的主要原因。这也是与理论相符的。
(3)从图5的脉冲击穿场强分布可以看出,即使采用相同的电极材料和表面处理工艺,在相同的脉冲条件下,真空间隙的宏观击穿场强仍有较大的分散性,其最高宏观击穿场强和最低宏观击穿场强相差可达300 kV/cm以上,说明即使对于固定的真空间隙及工作环境,其宏观击穿场强也不可能准确预估,只能通过多次间隙击穿实验来获得其宏观击穿场强的分布范围,从而得到该间隙在该电压下的最小宏观击穿场强。
(4)在相同的脉冲条件下,采用相同的电极材料,不同的表面处理工艺,真空间隙宏观击穿场强范围有明显改变。如在三脉冲下,机械抛光处理电极和玻璃珠湿喷处理电极的真空宏观击穿场强均大于400 kV/cm,而钢珠喷丸处理电极的宏观击穿场强则在220~300 kV/cm之间。机械抛光后电极表面的粗糙度可以达到相当的高度,而喷丸处理则可进一步减少电极表面的毛刺并增强表面的硬度。玻璃珠湿喷工艺是采用直径0.15mm的玻璃珠在水中对电极表面进行轰击,由于玻璃珠的硬度较小及水的阻力,该工艺对电极表面的改变较为温和,处理后电极表面光洁且均匀;钢珠喷丸处理则是在空气中采用直径0.15 mm的钢珠对电极表面进行轰击,该工艺处理后能加强电极表面的强度,而表面的粗糙度会有所增加。由此可见,在脉冲高压下,电极表面粗糙度越低,其最小宏观击穿场强越高。
(5)从图5还可以发现,脉冲数量增加后,对于钢珠喷丸处理的真空间隙,其宏观击穿场强明显下降;而对于粗糙度更低的机械抛光和玻璃珠湿喷处理的真空间隙,其宏观击穿场强在范围上并没有明显的差异。这表明对于表面粗糙度较低的真空间隙,脉冲数量增加所引起的击穿场强变化远小于真空间隙宏观击穿场强的不确定度。同样,对于光洁表面间隙,其阴极形状的变化对宏观击穿场强范围的影响也不明显。
4 结 论
本文结合真空间隙脉冲击穿机理和多脉冲间隙击穿实验结果,可以得到以下推论:
首先,间隙阴极表面晶须的大小和分布是导致真空间隙脉冲击穿的关键因素,晶须分布的随机性决定了加速间隙个体宏观击穿场强的不确定性。要得到所设计加速间隙的最小宏观击穿场强,需要在相同脉冲条件下对多个间隙样品进行击穿实验。
其次,脉冲数量的增加虽然对间隙个体的宏观击穿场强有一定影响,但当间隙表面粗糙度达到一定要求时,其影响将远小于宏观击穿场强本身的不确定度,因此可被忽略。由于目前直线感应加速器加速间隙通常都采用了机械抛光后再玻璃珠湿喷处理的工艺,所以在确定三脉冲加速间隙的最大宏观场强时,可借鉴原单脉冲加速间隙[6]的设计经验和实验数据。
最后,由于真空间隙的击穿场强是由晶须的大小和分布决定,对于采用相同材料和表面处理的电极,其晶须大小和出现几率的范围是一定的,其对应的宏观击穿场强的范围也是一定的。真空间隙的面积越大,电极表面出现晶须的几率越高,间隙个体的宏观击穿场强将越趋近该范围的下限。由于大面积真空间隙实验的成本高、难度大,因此可以通过进行更多小面积真空间隙的实验来推断大面积真空间隙的最低宏观击穿场强。
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基金项目:国防科技基础研究基金资助课题
作者简介:黄子平(1977—),男,博士,从事脉冲功率技术和感应加速器磁芯研究;hzp106@sina.com。
