pco.dicam相機助力氣體觸發(fā)開關擊穿過程的光學測量實驗研究
（論文部分內容摘抄）
高功率脈沖技術中，開關技術具有特殊重要的地位.它不僅決定了脈沖功率裝置的輸出特性，甚至是脈沖功率系統(tǒng)成敗的關鍵.具有耐受電壓高、導通電流大、擊穿時延短、抖動小、電感和電阻小、電極燒損小等不同性能的各種類型開關的研制,是脈沖功率技術中的重要研究內容.氣體觸發(fā)開關是利用氣體擊穿特性工作的開關,因為其結構簡單、容易操作等優(yōu)點得到了廣泛的應用。超高速像機已廣泛應用于軍事科學和民用科學領域,可在納秒量級內記錄開關擊穿導通過程，是研究氣體開關擊穿過程的重要光學測量手段。
實驗設計及理論模擬
實驗系統(tǒng)主要由氣體觸發(fā)開關和超高速相機兩大部分組成。
本實驗室使用德國Excelitas PCO 公司的(pco.dicam超高速相機)。該超高速相機有4個MCP(微通道板)像增強器模塊，最短曝光時間3ns，可在1ns幀間隔時間下超高速記錄4張滿幅影像像素1280x1024，12Bit動態(tài)存儲范圍，相機有電觸發(fā)和光觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，電觸發(fā)需通過TTL電平(5V)的上升沿觸發(fā)，觸發(fā)脈沖上升時間必須小于20ns，實驗裝置布局見圖1，超高速相機直接對準氣體觸發(fā)開關電極進行拍照，圖2從氣體觸發(fā)開關負載上經電容分壓器后提取的電觸發(fā)信號電壓4V、上升沿約為20ns，符合相機外部電觸發(fā)要求，可以進行光學測量實驗，選擇單曝光模式，4個通道的延遲時間分別設置為0.8ns，16ns，24ns（即每個通道隔8ns開始拍照）曝光時間均設置為8ns，相機記錄了0到32ns連續(xù)時間段內氣體觸發(fā)開關的擊穿導通過程，圖3是單曝光模式下氣體觸發(fā)開關擊穿導通照片，從相機通道1所拍攝照片中可以看到觸發(fā)電極與正電極首先擊穿導通有放電火花產生，這是由于觸發(fā)極與正電極之間電壓為6kV.而觸發(fā)極與負電極之間電壓為4kV，故觸發(fā)極與正電極先導通，8ns后通道2所拍攝照片可看到觸發(fā)極與正電極間的放電火花增強，并且觸發(fā)極與負電極開始擊穿導通，有比較弱的放電火花產生，16ns、24ns后通道的照片中觸發(fā)極與負電極間的放電火花相對與照片2明顯依次增強，并且通道4照片中觸發(fā)極與正負電極間的放電火花強度基本一致,證明此氣體觸發(fā)開關在24ns后正負電極已完全擊穿導通。
選擇雙曝光模式，即每個通道曝光兩次，可拍攝八幅照片，設置八幅照片的時間延遲依次為1.5us，曝光時間均為20ns如圖所示，實驗拍攝得到氣體觸發(fā)開關10.5us內擊穿導通過程的8幅照片，第一行4幅照片為四通道第一次曝光的照片，第二行4幅照片為第二次曝光的照片，每一列的兩幅照片為同一通道所拍攝，由實驗照片所示，0至4.5us時間內正負電極之間放電火花依次明顯增強,而6至10.5μs內放電火花依次減弱，到10.5us時放電火花最弱，氣體觸發(fā)開關擊穿導通過程基本結束，實驗證明該開關導通過程持。pco.dicam超高速相機存在無法消除的48ns系統(tǒng)延遲時間，實驗中由觸發(fā)開關的觸發(fā)極引出相機電觸發(fā)信號，當開關開始擊穿后48ns相機才開始拍攝第幅照片，相機無法與開關保持同步工作，另外，實驗中我們從開關的負載上引入相機的外部電觸發(fā)信號當開關導通后負載上的電壓才使相機觸發(fā)拍照，不能觀察到開關開始擊穿導通時刻的放電現(xiàn)象，后續(xù)實驗中我們擬使用時間延遲發(fā)生器，輸出兩路觸發(fā)信號一路信號觸發(fā)氣體開關，一路信號提前48ns觸發(fā)超高速相機，這樣才能使相機真正保持與開關同步觸發(fā)，拍攝到擊穿導通起始時刻的放電火花照片，深入研究其物理現(xiàn)象。
本文采用光學測量方法研究氣體觸發(fā)開關擊穿導通過程，由超高速相機所得到的納妙量級和微妙量級開關擊穿導通過程圖像可以看出，氣體觸發(fā)開關擊穿過程可分為兩個階段，實驗結果與靜電場模擬結果相符合，并且擊穿過程持續(xù)時間在11.5us以上。
最后，實驗證明光學測量方法是研究高壓開關擊穿導通過程的有效手段。本實驗為進一步研究高壓開關擊穿過程打下了一定的理論和實驗基礎。
德國Excelitas PCO公司pco.dicam相機，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復率、精確捕捉超快速過程的優(yōu)點，將可實現(xiàn)高效的單光子檢測，為實驗提供強而有力的圖像數據支持。
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