纳秒脉冲气体放电机理探讨

　　气体放电公认的基本理论是Townsend机理和流注机理,随着脉冲功率技术的发展,纳秒脉冲放电理论研究值得关注,气体放电基本理论能否在纳秒脉冲放电中适用,相关判据是否有效都是需要研究的问题。目前国内外研究纳秒脉冲气体放电理论中提到的几种机理假说主要有:经典流注机理、电子崩链模型、逃逸电子模型和气体开关模型等[1]。其中基于高能量快电子逃逸的相关理论被认为最有希望解释纳秒脉冲气体放电机理。本文基于经典的放电理论,从流注放电判据入手,探讨纳秒脉冲气体放电理论。

　　1　流注判据的讨论

　　Townsend机理和流注机理都以碰撞电离为基础,流注机理在Townsend电子崩的基础上,进一步考虑空间光电离效应,实现二次电子崩,逐步发展流注,完成火花击穿[2]。流注放电的发展需要考虑在临界电子崩时是否辐射足够引发空间光电离的光子,通常由气体受激分子辐射产生,而受激分子的寿命1~10 ns[3],即其平均发光时间需要1~10 ns,激励态的原子寿命更长,只有10-7~10-8s量级[2]。如果流注发展到临界电子崩的时间短于受激分子的寿命,依靠空间光电离使一次电子崩向二次电子崩及流注发展的解释存在缺陷。在纳秒脉冲击穿中,虽然流注发展诱因与经典流注机理已经有了很大差别,但流注判据是否在纳秒脉冲下有效目前没有定论。流注判据为[4]

式中:α(x)是电离系数沿电子崩发展轴线x的函数;χ是一次电子崩临界长度。对于均匀场,可以近似用αχ=k替代[5],k的取值范围是9~20[6]。Raether指出,临界电子数目达到108量级时形成流注,取k=20[7]。Ped-ersen等在定义有效电离系数的基础上推导得到k值约为10.5[4]。Petcharaks指出,k值为18和20时,很可能是由于有效电离系数的误差导致,他认为均匀场中k=9.18比较合理[6]。Nesterikhin等在电离系数的基础上引入有效电离系数,指出纳秒脉冲下击穿流注判据中k值是一个大于20的不确定值[8]。根据流注判据可以推导得到[9]

式中:电离系数与气压及场强的关系为α/p = f1(E/p);时延τ=χ/νc;电子漂移速度νc= f2(E/P)。

    图1是不同条件下纳秒脉冲击穿实验结果的总结,以场强和气压比值E/p和气压与击穿时延乘积pτ的关系曲线比较。其中T. H. Martin曲线和J. Mankowski曲线是文献[10]的经验公式,将其中气体密度参数转换为气压参数p。P-F理论曲线根据Felsenthal和Proud的理论曲线拟合得到[11],空气和氮气数据来自100Hz以上的重频纳秒脉冲气体击穿结果(实验介绍见文献[12-14])。经典流注判据曲线中取k值为20 ,除了T.H.Martin经验公式曲线接近外,其他的结果均与经典流注判据曲线有一定偏差。P-F曲线不符合经典流注判据,如果将判据k值修改为10 ,该判据下的结果与P-F的结果较为吻合。T. H. Martin的经验公式是在很大范围内总结的,包括雷电脉冲、纳秒脉冲等不同电压波形下的结果,本身就是一个较大范围内的拟合,因此可能会接近经典流注的判据。Mankowski曲线主要是高气压,场强达到MV/cm,亚纳秒脉冲下的结果,包括电离系数等参数在这种条件下需要重新修正。我们的结果为重复频率纳秒脉冲空气和氮气击穿的实验数据,实验数据结果和Mankowski的结果均明显高于经典流注判据,但无论何种实验条件,所有数据结果均符合一个重要的相似性规律:E/p与pτ符合递减的线性函数曲线规律。