重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法及装置制造方法及图纸

一种重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法和装置，确定脉冲电源（１）的输出电压，调节击穿电极（１８）间隙，脉冲发生器（２）发出启动脉冲，使脉冲电源（１）输出重复频率高压脉冲，示波器（８）被触发启动，并有一个通道击穿；经过一定的耐受时间后，击穿电极（１８）的间隙被击穿，电压传感器（６）和电流传感器（５）检测击穿电压和击穿电流，示波器（７）记录击穿时的电压与电流信号。此时示波器（７）的逻辑端口ＴＴＬ发出一个低电平信号被示波器（８）的另一测量通道检测到，同时示波器（７）逻辑端口ＴＴＬ输出的信号也同步送入脉冲发生器（２）的外触发端口内实现脉冲电源（１）的自动关停，最后测量得到电压、电流和耐受时间信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及绝缘介质在重复频率纳秒脉冲下击穿特性的实验方法及装置，特别涉及纳秒高压脉冲下气体介质击穿特性实验方法及装置。
技术介绍
有关气体、液体和固体电介质在直流、工频交流和雷电波冲击脉冲等常规条件下的击穿特性已经进行了相当多的研究。近年来，非常规条件下电介质材料性能及高电压绝缘技术，不同形式和条件的气体放电规律等引起了国内外研究关注，尤其是窄脉冲下击穿特性是一个研究热点。纳秒脉冲、高场强等极端条件下电介质击穿特性的研究越来越受到关注，纳秒脉冲气体放电研究源于脉冲功率技术迅速发展的需求，目前国内外研究较少涉及。国内外的研究机构、大学等相继开展了一些纳秒脉冲介质击穿的研究工作。其中美国的Sandia等国家实验室、空军研究实验室、海军武器研究中心、德州技术大学脉冲功率技术实验室；俄罗斯(包括前苏联)科学院下属的大电流研究所、电物理所、高温所等研究所；英国原子武器研究中心、斯特拉思克莱德大学等进行了有关纳秒脉冲击穿的研究工作。近年来国内诸如中国工程物理研究院、西北核技术研究所、中科院电工所、清华大学等单位也开展了少量的研究工作，但目前普遍缺少重复频率纳秒脉冲下介质击穿特性方面的研究，尤其是气体方面的研究结果。目前纳秒脉冲下的实验结果基本都是单次脉冲下的击穿结果，多是测量击穿电压与电流等信号，而少量重复频率纳秒脉冲下的结果也是测量其中某个单次脉冲下的结果或者设计一个专门的电路来测量重复频率脉冲序列。重复频率纳秒脉冲下击穿是在施加一序列的脉冲后才击穿，击穿需要承受一定的时间，而不同于直流、交流或单次脉冲下击穿只有一个相对很短的时延，而且每个脉冲是纳秒级脉宽，而击穿承受的时间是很长的，可以达到数十秒或更长，一般需要一个高速的控制和采集电路来测量得到施加的脉冲个数及脉冲波形。文献(Rev.Sci.Instr.59(7)，1988)提供了一种相对较为简单的电子线路提供实时触发和分段测量，实现了测量重复频率脉冲的脉冲波形和脉冲个数，但这种电路一般测量的脉冲脉宽一般是微秒级，而且能完成测量连续脉冲的最高频率是40Hz。此外，重复频率纳秒脉冲下需要设计电路实现间隙击穿后防止脉冲电源长期处于短路状态，确保脉冲电源的安全。因此重复频率纳秒脉冲下的击穿电压、电流不同于传统方法，需要测量重复频率纳秒脉冲施加的时间，并能自动关停脉冲电源。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种重复频率纳秒脉冲介质击穿实验方法及装置，不需要设计专门的电子线路来测量，可实现脉冲电源的自动关停。本专利技术可在实验室内开展不同绝缘介质在重复频率纳秒脉冲下的击穿和闪络特性，可适用于气体、液体、固体的体击穿，或其中两种介质交界面的闪络，获得反映各种绝缘材料的击穿和闪络特性数据，分析得到不同介质在纳秒脉冲极端条件下的绝缘特性。本专利技术重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法说明如下首先确定脉冲电源的输出电压，调节一定的击穿电极间隙后，预置脉冲发生器的输出脉冲频率，由脉冲发生器发出启动脉冲使脉冲电源输出重复频率高压脉冲，同时示波器也被触发启动，并有一个通道击穿。当经过一定的耐受时间后，击穿电极的间隙被击穿，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器和电流传感器检测到，并由电流传感器的信号作为触发信号启动示波器，由示波器记录下击穿时的电压与电流信号。在示波器被电流传感器检测到的击穿电流信号触发时，示波器的一个逻辑端口TTL会发出一个低电平信号，这个信号被示波器的另一个测量通道检测得到，从示波器被触发启动时开始到低电平信号的起始处为一次实验中重复频率的耐受时间，同时该示波器逻辑端口TTL输出的信号也同步被送入脉冲发生器的外触发端口内实现脉冲电源的自动关停，最后测量得到的电压、电流、耐受时间信号被送至计算机存储，并由此进一步分析击穿特性。应用本专利技术重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法的装置包括重复频率纳秒脉冲电源、脉冲发生器、保护电阻、实验腔、电流测量传感器、电压测量传感器、宽频高速数字存储示波器、微型计算机。脉冲发生器的输出分别接入重复频率纳秒脉冲电源和示波器8，脉冲电源地输出端分别接电压测量传感器和保护电阻，保护电阻的另一端接实验腔，实验腔的输出接电流传感器后接地，电流传感器和电压传感器信号输出端通过等长同轴电缆接示波器7，同时示波器7的逻辑端口TTL接入示波器8的输入端口，示波器7逻辑端口TTL输出的信号也同步被送入脉冲发生器的外触发端口内，两台示波器通过数据转接卡接入计算机。其中重复频率纳秒脉冲电源为Marx发生器和脉冲形成线结构电源，或者基于半导体断路开关的高重复频率脉冲电源。脉冲发生器为产生标准重复脉冲的控制脉冲发生器。实验腔由带三通阀门及气压表的换气嘴、螺杆及螺母、旋钮杆、动密封旋钮、金属端盖、支撑金属板、接线柱、有机玻璃壳体、击穿电极、光纤导口、接地金属块组成，金属端盖和有机玻璃壳体通过螺杆及螺母连接，并形成一个圆柱状的腔体结构；脉冲电源发出的高压重复频率脉冲通过接线柱加到上金属电极上，形成高电位的导体；上金属电极通过支撑金属板、金属端盖固定在有机玻璃腔中；旋钮杆可以用来调节上金属导体位置并测量金属电极间的距离；气体介质可以通过端盖上换气嘴处的三通阀门进入由端盖和有机玻璃壳体形成的腔体，气压可达0.6MPa，液体可以通过打开端盖直接往实验腔内注入液体，固体可以直接夹在电极之间，由于上端口的重量也能保证固体与金属电极之间的紧密接触；实验装置的端盖、有机玻璃壳体、金属接地块、光纤导口、接线柱等部位的连接处采用密封圈或者密封胶进行密封处理。电压测量传感器为耦合电容型电容分压器，是在脉冲电源或者实验腔的金属壳上粘上一层很薄的环氧树脂层，再在环氧树脂层上覆上一层铜皮，在高压导体和铜皮构成电容分压器的高压臂电容，铜皮与金属外壳构成低压臂电容，细导线与铜皮焊接后引出被测电压，通过同轴接头送入示波器。电流测量传感器为无感电阻分流器，在选取合适的无感电阻，无感电阻的数量根据示波器能允许的最高电压及击穿实验时的电流峰值决定，一般为10-20个，焊接在圆柱状的铜管上，焊成一圈。无感电阻的另一端焊在一起并与高压引线焊接，铜管上端与接地板连接，高压引线、铜管下端分别与同轴接头的高、低压端焊接。目前国内外关于重复纳秒脉冲击穿的实验很少，而且测量电压、电流基本都是测量单次脉冲的电压、电流或者脉冲包络线波形，施加脉冲的时间、防止脉冲电源的长期短路都需要设计专门的电子线路来测量。本专利技术在借助电压、电流传感器及示波器可以方便简单的实现重复频率纳秒脉冲击穿实验中相关信号的测量。附图说明图1为重复频率纳秒脉冲介质击穿实验装置组成原理图，图中1重复频率纳秒脉冲电源，2脉冲发生器，3保护电阻，4实验腔，5电流测量传感器，6电压测量传感器，7和8宽频高速数字存储示波器，9微型计算机；图2为实验腔4结构示意图，图中10三通阀门及气压表的换气嘴，11螺杆及螺母，12旋钮螺杆，13动密封旋钮，14金属端盖，15支撑金属板，16接线柱，17有机玻璃壳体，18金属电极，19光纤导口，20接地金属块；图3为电压测量传感器6结构示意图，图中21高压导体，22铜皮，23环氧树脂层，24金属外壳，25细导线；图4为电流测量传感器5结构示意图，图中26高压引线，27绝缘板，28接地板，29铜管，30无感电阻，31同轴接头；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法，其特征在于，首先确定脉冲电源（１）的输出电压，调节一定的击穿电极（１８）间隙后，预置脉冲发生器（２）的输出脉冲频率，由脉冲发生器（２）发出启动脉冲使脉冲电源（１）输出重复频率高压脉冲，同时示波器（８）也被触发启动，并有一个通道击穿；当经过一定的耐受时间后，击穿电极（１８）的间隙被击穿，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器（６）和电流传感器（５）检测到，并由电流传感器（５）的信号作为触发信号启动示波器（７），由示波器（７）记录下击穿时的电压与电流信号；在示波器（７）被电流传感器（５）检测到的击穿电流信号触发时，示波器（７）的一个逻辑端口ＴＴＬ会发出一个低电平信号，这个信号被示波器（８）的另一个测量通道检测得到，同时示波器（７）逻辑端口ＴＴＬ输出的信号也同步被送入脉冲发生器（２）的外触发端口内实现脉冲电源（１）的自动关停，从示波器（８）被触发启动时开始到低电平信号的起始处为一次实验中重复频率的耐受时间；最后测量得到的电压、电流、耐受时间信号被送至计算机（９）存储，并由此进一步分析介质的击穿特性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵涛，孙广生，严萍，袁伟群，王珏，张适昌，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]