高压多脉冲真空间隙击穿实验研究

　　直线感应加速器运行时,感应腔加速间隙承受的脉冲电压高达数百kV,持续时间大于100 ns,因此在感应加速腔设计时,其加速间隙必须有足够的宽度,以确保在脉冲电压加载时不会发生真空击穿。而加速间隙的增加对加速电场和束输运磁场都有不利的影响,所以在确保加速间隙不发生击穿的前提下,为了提高加速梯度、获得更好的束流质量,加速间隙的宽度越小越好。因此,确定真空间隙的最小宏观击穿场强是加速间隙设计的关键。

　　1　真空间隙击穿机理

　　对于长度为cm量级的真空间隙击穿机理在理论上已不存在重大分歧[1],总的来说,真空间隙的击穿分为两个阶段:击穿的引燃和击穿电流的增长。

　　多项研究均证明脉冲击穿的引燃作用决定于阴极上晶须的爆炸[1-2]。由于阴极表面不可避免有随机的突起(晶须),在电压加载后晶须处的场强可以被增强几十到数百倍,可以导致足够强的场致发射电子,而当场致发射电流足够引起尖端过热时(焦耳加热),将会引发晶须爆炸。同时亦有实验证明,火花电流在阴极晶须爆炸后才开始增长,而阳极上发光的光焰是电流开始增长以后产生的[1],因此阳极材料的蒸发与脉冲击穿的引燃无关。另外,有实验证明,当真空度小于1×10-2Pa后,其对击穿引燃的影响可忽略不计[1-2]。

　　相对击穿的引燃,击穿电流的增长要更复杂一些,与电极的材料、形状、间距等许多因素相关。由于电流的增长必然发生在引燃之后,如何避免击穿的引燃才是加速间隙设计的关键,因此对于击穿电流的增长过程本文不作讨论。

　　2　实验设计

　　对于加速间隙,所能够确定的是在设定电压下间隙的最大宏观场强,因此在间隙设计时必须保证在该宏观场强下不会发生脉冲击穿。

　　电极晶须的大小和分布总是随机的,只依靠理论计算不可能求出间隙击穿的宏观场强;同样,由于宏观电场随间隙大小变化的规律和晶须处电场随间隙大小变化的规律有很大的差别,因此在低压下得到的宏观击穿场强在高压下将不再准确。由此可知,要确定加速间隙的最小宏观击穿场强,必须对相同材料、相同表面处理的电极间隙在相同电压和脉冲下的多次实验数据进行分析才能得到。

　　传统的直线感应加速器都是单次运行,其加速腔加载的脉冲幅度通常大于200 kV,脉宽100 ns左右[3]。目前对于单脉冲直线感应加速器加速间隙的设计已有较多的实例和实验数据可供参考,设计时通常将加速间隙的最大宏观场强控制在200 kV/cm左右。但对于多脉冲直线感应加速器[4],目前世界上尚无先例,脉冲数量增加对加速间隙宏观击穿场强的影响大小需要进行实验测定。