真空触发开关的起弧稳定性实验结果分析
对于场击穿触发方式,放电起始于真空中的场电子发射,由弗雷-诺特海姆公式在电场E 下阴极发射的电子电流密度Jee为
式中φ 为表面逸出功, E 为电场强度, 系数t与y 相关,一般可看作常数或查表。已知钨的击穿场强大约为6 ×109V/ m ,逸出功4.5eV。计算(4) (5)得y = 0.648 , v = 0.510 , 又查表得t = 1.063, 代入(3) 式,可得Jee = 5.375 ×1010A·m- 2 。
Jee形成的电子电流撞击阳极,使之产生材料蒸发和电离,离子在电场作用下向阴极表面运动并产生离子鞘层,加速电子的发射,当该鞘层的作用或电子电流密度高到足以在阴极表面产生阴极斑点时,就具备了自持放电的条件。在均匀电场中靠场发射达到击穿的临界电子电流密度比较困难, 一般设计触发针对相连电极间有场畸变以增强局部场强。初始等离子体形成后, 能否引发主间隙的导通还有一定的条件, 视其进一步的发展而定。随着初始等离子体向主间隙的扩散, 它们会影响主间隙的电场分布,如初始等离子体有足够高的密度,可直接击穿主间隙。一般触发系统提供的能量不足以维持主间隙的击穿状态(如图6) , 主间隙的自持放电必须自主间隙阴极表面产生的阴极斑点不断提供带电粒子和金属蒸气来维持(如图9) 。
当初始等离子体扩散到主间隙阴极时, 就在近阴极区形成离子鞘层。鞘层电压Us 几乎等于主间隙电压,流过鞘层的电流Is 由电子电流Ie 和离子电流Ii 组成。
其中f 为离子电流比例,一般为015～1 ,与触发材料相关; It 为触发电流; S 为鞘层下的电极面积; e 、ne 、ve 和Te 分别为电子的电量、密度、热速度和温度; k是玻尔兹曼常数。离子电流由触发电流决定的, 而电子电流服从玻尔兹曼分布, 并随鞘层电压Us 的增加按指数下降。鞘层电流Is 可通过朗缪尔(Lang2muir) 公式与鞘层电场Es 关联;当Es 达到一临界值Esc时,就会击穿并产生阴极斑点,TVS 主间隙开始导通。Esc取决于主间隙阴极材料及其表面状态。设鞘层电流以离子电流为主, 则引发主间隙击穿的临界触发电流Itc为
其中d 为触发电极到主间隙阴极的最小距离; M 为触发电极材料的分子重量。Itc的详细计算要考虑主间隙阴极鞘层的动态发展过程。本文中TVS 接通的是一低频LC 振荡电路, 电容器上的充电电压为U0 ,准中性的初始等离子体的发展各向同性, 则以下关系成立
其中z 为平均离子电流; ni 为离子密度; vi 为离子平均漂移速度。由此可导出鞘层的动态电压和电流
L 为振荡电路电感。假设ve/ vi ≈100 , Te ≈1.3 ×104k , z≈1 , Us (t) 仅为U0 与It 的函数。
当Us > 40V 时, f d It/ d t n U0/ L , 计算式(11) 得Is ( t) = 0.919f It ( t ) , 即鞘层中以触发电流为主。当d It/ d t = 0 时, It 达到最大Itm , 鞘层离子密度最高,U0 = Us ,主间隙击穿概率最高。反之, 当Us < 40V时, f d It/ d t m U0/ L ,鞘层电流中电子电流分量相当大,其动态特性为主间隙外电路所限制,主间隙不满足击穿条件。
由上述分析可知,阴极斑点是维持电弧的关键,而产生阴极斑点取决于离子鞘层, 足够的鞘层电场或鞘层电压是产生阴极斑点的保证。起弧最初的鞘层是靠初始等离子体中正离子返回阴极表面形成的,而初始等离子体取决于触发过程。所以为保证触发的可靠性,既要有足够高的脉冲电场强度,又要有充足的触发电流。
结论
(1) 自建了一套场击穿型TVS 的触发和实验系统,从电气特性和图像特性两个方面记录其起弧过程。实验结果表明续流电容充电150V 能够保障TVS 的稳定导通,触发系统的稳定延时约40μs ,起弧过程持续了297μs。
(2) 初始等离子体的不同发展决定着TVS 的开通,记录并分析了TVS 从不稳定起弧到稳定起弧的发展变化过程。
(3) 分析了场击穿触发的原理,只有在足够高的脉冲电场强度和充足的触发电流下,才能产生充足的初始等离子体,进而得到满意的触发概率。分析与实验过程相一致。
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