一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置及方法

本发明属于测试电变量及测试磁变量，具体涉及一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置及方法。

背景技术：

1、理想状态下1mm真空间隙可承受数十千伏电压，但在离子流的诱发下，会使得真空间隙绝缘强度下降，导致真空间隙在正常工作场景中发生非预期电击穿。如在航天领域的应用中，推力器栅极之间发生的绝缘电击穿可导致其推力输出不稳定甚至损失等。

2、由于离子流、局部低气压、电极表面缺陷及结构等因素的复杂耦合，会导致真空间隙绝缘强度大幅度下降，使得离子流环境中真空间隙易发生电击穿，但是对于该间隙电击穿特性以及相关参数的影响并没有深入的研究，难以提出对应的抑制措施，导致该问题难以完全消除。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置及方法，以解决现有技术中对研究离子束流环境中真空间隙击穿缺少相关实验和研究装置的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，包括：

4、真空舱舱体；

5、离子源，设置在所述真空舱舱体的内部；

6、金属电极组件，设置在所述真空舱舱体内部，所述离子源的光学系统的后方；

7、供电系统，为所述离子源供电，为所述金属电极组件提供高压电源；

8、高真空试验平台，和所述真空舱舱体连通，用于抽真空；

9、供气系统，和所述离子源连通，为所述离子源提供气体工质；

10、测试系统，用于记录所述金属电极组件发生击穿时的电压电流波形，记录等离子体参数，拍摄电击穿过程。

11、所述金属电极组件包括结构相同且同轴线的金属电极阳极和金属电极阴极，所述金属电极阳极和所述金属电极阴极相对设置；所述金属电极阳极和所述金属电极阴极上开设有中心孔和若干个通孔，且开设位置相同。

12、本发明的进一步改进在于：

13、优选的，所述金属电极阳极和所述金属电极阴极均包括放电部分，放电部分的两侧连接有对称设置的电极柄；

14、金属电极阳极和金属电极阴极通过各自的电极柄架装在真空舱舱体中。

15、优选的，所述放电部分为穹顶结构，金属电极阳极和金属电极阴极中穹顶结构的凸出部分相对设置。

16、优选的，所述穹顶结构为球冠状、弧面，或者是底部为圆形平面，沿圆形平面周向连接有环形弧面的结构。

17、优选的，金属电极阳极的电极柄和金属电极阴极的电极柄之间的夹角为60°或120°。

18、优选的，所述通孔围绕中心孔设置。

19、优选的，所述供电系统包括高压电源，高压电源和金属电极阳极连接，所述高压电源用于提供1-10kv的正极性电压，金属电极阴极接地。

20、优选的，所述测试系统包括示波器和朗缪尔探针，示波器连接有高压探头和电流探头，高压探头和电流探头均设置在高压电源和金属电极阳极的连接线上；

21、真空舱舱体上设置有若干个观察窗，至少有两个观察窗设置在金属电极阳极和金属电极阴极的两侧；

22、示波器连接有高速摄像机，高速摄像机设置在至少一个观察窗的外侧；

23、朗缪尔探针设置在离子源的出口处，连接有控制箱，高速摄像机和控制箱共同连接有计算机。

24、优选的，所述供气系统提供氙气或氩气；

25、所述高真空试验平台将真空舱舱体内的真空度维持在10-5pa级别。

26、一种基于上述的离子流诱发真空绝缘击穿实验装置的实验方法，包括以下步骤：

27、s1，通过高真空试验平台将真空舱舱体内抽真空；

28、s2，供气系统将气体工质输入至离子源中；

29、s3，离子源中的屏栅被施加正极性电压，加速栅被施加负极性电压，离子源产生离子束流，离子束流穿过金属电极组件；

30、s4，逐步提高金属电极组件接入高压电源的电压值，直至金属电极阳极和金属电极阴极之间发生电击穿；

31、s5，测试系统同时记录金属电极组件发生击穿时的电压电流波形，以及等离子体参数。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、本发明公开了一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，该装置包括离子源、供电系统、高真空实验平台、供气系统、测试系统以及定制金属电极；该装置将离子源出口置于金属电极组件前方，通过对离子源的屏栅施加正极性电压、离子源的加速栅施加负极性电压实现离子的引出，金属电极组件内开设有通孔，用于通过离子，研究气压、电极结构及表面缺陷等因素在离子流诱导下对真空间隙击穿特性的影响。

34、进一步的，金属电极采用类“锅”形设计，相较于平板电极，可以抑制电极边缘由于场强不均匀造成的电击穿，以及降低电极绝缘支撑部分发生沿面闪络的概率。

35、进一步的，真空舱侧面开设观察窗，高速摄像机镜头通过观察窗对准金属电极间隙，通过示波器检测电压由于击穿造成的快速下降，触发高速摄像机拍摄电击穿过程。

36、进一步的，将朗缪尔探针放置于离子源出口处，能够检测附近环境中的等离子体参数，方便对离子源工作状态进行精准评估。

技术特征：

1.一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，所述金属电极阳极(352)和所述金属电极阴极(351)均包括放电部分(355)，放电部分(355)的两侧连接有对称设置的电极柄(354)；

3.根据权利要求2所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，所述放电部分(355)为穹顶结构，金属电极阳极(352)和金属电极阴极(351)中穹顶结构的凸出部分相对设置。

4.根据权利要求3所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，所述穹顶结构为球冠状、弧面，或者是底部为圆形平面，沿圆形平面周向连接有环形弧面的结构。

5.根据权利要求2所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，金属电极阳极(352)的电极柄(354)和金属电极阴极(351)的电极柄(354)之间的夹角为60°或120°。

6.根据权利要求1所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，所述通孔围绕中心孔设置。

7.根据权利要求1所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，所述供电系统包括高压电源(39)，高压电源(39)和金属电极阳极(352)连接，所述高压电源(39)用于提供1-10kv的正极性电压，金属电极阴极(351)接地。

8.根据权利要求7所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，所述测试系统包括示波器(38)和朗缪尔探针(20)，示波器(38)连接有高压探头(360)和电流探头(37)，高压探头(360)和电流探头(37)均设置在高压电源(39)和金属电极阳极(352)的连接线上；

9.根据权利要求1所述的一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置，其特征在于，所述供气系统提供氙气或氩气；

10.一种基于权利要求1所述的离子流诱发真空绝缘击穿实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种离子流诱发真空绝缘击穿实验装置及方法，该装置包括离子源、供电系统、高真空实验平台、供气系统、测试系统以及定制金属电极；该装置将离子源出口置于金属电极组件前方，通过对屏栅施加正极性电压、加速栅施加负极性电压实现离子的引出，金属电极组件内开设有用于通过离子的通孔，研究气压、电极结构及表面缺陷等因素在离子流诱导下对真空间隙击穿特性的影响。

技术研发人员：孙安邦,刘文瑄,刘昊琰,张立伟,张冠军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7