超宽带高功率脉冲辐射源亚纳秒气体开关的研究

摘要

脉冲功率技术在科学试验、国防、生物医学以及环境保护等领域有着广泛的应用。亚纳秒气体开关的研究源于脉冲功率技术迅速发展的要求，是脉冲功率系统关键元件之一。纳秒脉冲气体击穿特性的研究工作推动了气体放电研究领域的完善和发展，具有重要的理论和实际意义。 由于气体放电过程涉及到物理结构的不同层次(包括电子、原子、分子和光子)，影响因素比较多，因而还没有一个理想模型能够对放电过程进行精确描述。本文以汤森德放电理论和经典流注放电理论为基础，用有限元软件ANSYS对亚纳秒气体开关的击穿过程进行建模仿真。通过改变气体开关的电极形状、电极间距和电极材料来对亚纳秒气体开关性能进行分析。要求气体开关具有导通时间快、工作寿命长、绝缘恢复能力强的优点。 通过仿真结果分析表明：在高电压、小间隙的开关中，平板电极击穿时分散性很大，稳定性极差，一般不采用：随着电极间距的减小，电流密度峰值就越大。由于气体火花开关内的能耗与电流密度有关，当电流越大，开关击穿时电弧通道产生炙热气体和带电粒子也就越多，开关截止后开关的恢复速度也就越慢；电极材料应选用合金来减小电极的烧蚀，提高开关电极的使用寿命。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1超宽带高功率脉冲辐射源的简介

1.1.1超宽带高功率脉冲辐射源的含义及应用

1.1.2国内外超宽带高功率脉冲技术的研究现状

1.2气体开关的简介

1.2.1气体放电的发展

1.2.2气体开关的种类

1.2.3国内外气体开关的研究状况

1.2.4亚纳秒气体开关的发展及研究意义

1.3论文的研究目的和主要内容

第2章 气体火花开关的基本理论

2.1气体放电的物理过程

2.1.1电子崩

2.1.2汤森德理论和帕邢定律

2.1.3流注理论和击穿判据

2.2气体火花开关的工作原理

2.2.1放电的发展阶段

2.2.2气体开关的电流特性和电阻特性

2.2.3气体导电的伏安特性

2.3本章小结

第3章 影响气体开关性能的因素

3.1电极形状对开关性能的影响

3.1.1离子在电场中的迁移运动

3.1.2电子在电场中的运动规律

3.1.3电场中电子的速度分布

3.2电极间隙对开关性能的影响

3.2.1亚纳秒气体开关放电的等效电路

3.2.2气体开关中消耗的能量

3.2.3火花间隙特征时间常数

3.3电极材料对开关性能的影响

3.3.1电极烧蚀的物理机制

3.3.2电极材料的选取

3.4本章小结

第4章 亚纳秒气体开关的设计

4.1有限元方法

4.2静电场中的有限元分析

4.2.1麦克斯韦方程组

4.2.2边界条件

4.2.3静电场的有限元法

4.3气体开关的设计

4.3.1气体开关模型的建立

4.3.2气体开关模型的验证

4.4本章小结

第5章 亚纳秒气体开关的仿真与分析

5.1气体开关的仿真

5.2仿真结果及分析

5.2.1电极形状的仿真结果

5.2.2电极间距的仿真结果

5.2.3电极材料的仿真结果

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢