非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法
【專利摘要】非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法，屬于高電壓與高能物理學(xué)氣體放電【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是為了解決非常規(guī)條件下氣體放電過(guò)程的試驗(yàn)手段落后，使其放電過(guò)程狀態(tài)無(wú)法被準(zhǔn)確獲得，進(jìn)而無(wú)法解讀氣隙放電信號(hào)所表達(dá)的信息的問(wèn)題。分析方法為：首先獲得粒子在高能級(jí)En向低能級(jí)Em躍遷時(shí)的譜線強(qiáng)度Inm；再獲得粒子在公共下能級(jí)的兩條譜線相對(duì)強(qiáng)度比值；建立波爾茲曼分布方程，根據(jù)粒子達(dá)到熱力學(xué)平衡或局部熱力學(xué)平衡時(shí)，同種粒子的兩個(gè)能級(jí)Em和En上的粒子密度比值計(jì)算獲得粒子溫度T；再由粒子溫度T，確定密閉放電室內(nèi)氣體介質(zhì)的光譜特性，進(jìn)而獲得粒子密度分布。本發(fā)明用于氣體放電過(guò)程的分析。
【專利說(shuō)明】非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法，屬于高電壓與高能物理學(xué)氣體 放電【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 非常規(guī)條件下的氣體介質(zhì)放電特性與通常的直流、工頻或長(zhǎng)脈沖下的絕緣特性具 有很大差異。其原因是由于脈沖寬度相似或小于介質(zhì)的松弛極化時(shí)間和粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間量 級(jí)，尤其在納秒甚至更短脈沖的窄脈沖條件下，介質(zhì)的極化歷程和粒子運(yùn)動(dòng)行為具有不同 表現(xiàn)，必然引起介質(zhì)及其結(jié)構(gòu)絕緣性能的改變，甚至存在許多異?，F(xiàn)象。這可能是窄脈沖條 件下電極間瞬態(tài)電場(chǎng)分布、空間電荷積聚、介質(zhì)表面電荷沉積規(guī)律和介質(zhì)松弛極化過(guò)程不 同所致。尤其近年通訊事業(yè)的飛速發(fā)展，大量的高頻電子設(shè)備投入運(yùn)行，高頻及超高頻信號(hào) 的發(fā)送傳輸，對(duì)絕緣介質(zhì)提出更高的要求。
[0003] 目前解釋納秒脈沖下介質(zhì)放電發(fā)展過(guò)程的主要有經(jīng)典流注機(jī)理、電子崩鏈模型、 逃逸電子模型等。納秒脈沖電壓下的介質(zhì)放電屬于經(jīng)典流注機(jī)理解釋的范圍，但經(jīng)典的流 注機(jī)理在解釋納秒、亞納秒級(jí)擊穿時(shí)延上存在缺陷，因此基于流注機(jī)理發(fā)展了諸如電子崩 鏈模型、逃逸電子模型等。它們的相同點(diǎn)是在形成臨界電子崩的基礎(chǔ)上，考慮空間電荷場(chǎng)， 發(fā)展二次過(guò)程，最后都形成流注；而不同之處在于形成流注前的二次過(guò)程是不一樣的。經(jīng) 典流注放電強(qiáng)調(diào)放電的二次發(fā)展需要在臨界電子崩時(shí)輻射足以引發(fā)空間光電離的光子，空 間光電離的作用很重要；電子崩鏈模型和逃逸電子模型都是基于放電過(guò)程中輻射的逃逸電 子，考慮氣體放電動(dòng)力學(xué)在放電過(guò)程中的作用。電子崩鏈模型是在主電子崩的崩頭發(fā)展二 次電子崩，逐步形成貫穿陰極和陽(yáng)極的線性電子崩鏈；逃逸電子模型認(rèn)為逃逸電子主導(dǎo)主 電子崩逐步向陽(yáng)極的發(fā)展。電子崩鏈模型、逃逸電子模型強(qiáng)調(diào)放電繼續(xù)發(fā)展的二次過(guò)程是 電子崩內(nèi)部逃逸的高能量電子，不考慮空間光電離。
[0004] 非常規(guī)條件下氣體放電過(guò)程的研究工作，由于受到試驗(yàn)手段、檢測(cè)技術(shù)和分析方 法的制約，還缺少足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論解釋，例如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、反應(yīng)速度、使用壽命仍然是 研究熱點(diǎn)課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是為了解決非常規(guī)條件下氣體放電過(guò)程的試驗(yàn)手段落后，使其放電過(guò) 程狀態(tài)無(wú)法被準(zhǔn)確獲得，進(jìn)而無(wú)法解讀氣隙放電信號(hào)所表達(dá)的信息的問(wèn)題，提供了一種非 常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法。
[0006] 本發(fā)明所述非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法，它基于非常規(guī)條件下氣體放電 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)裝置包括密閉放電室、棒板銅電極、單色儀、光圖像采集器、放電圖像 采集器和計(jì)算機(jī)，
[0007] 棒板銅電極設(shè)置在密閉放電室中，棒板銅電極的棒部的首端與板部間具有間隙， 板部與電源地連接，棒部的末端經(jīng)過(guò)一電阻與高電壓電源連接；
[0008] 密閉放電室的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)壁上分別設(shè)置有石英玻璃窗，該兩個(gè)相對(duì)的側(cè)壁與棒 板銅電極的板部的放電表面相垂直；
[0009] 單色儀用于采集透過(guò)一個(gè)石英玻璃窗的光信號(hào)，光圖像采集器用于采集單色儀出 射口輸出的光信號(hào)，光圖像采集器采集獲得的光圖像信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)；
[0010] 放電圖像采集器用于采集透過(guò)另一個(gè)石英玻璃窗的放電圖像，放電圖像采集器再 將放電圖像傳遞給計(jì)算機(jī)；
[0011] 所述分析方法為：
[0012] 由光圖像采集器采集獲得密閉放電室內(nèi)電暈放電過(guò)程中粒子在高能級(jí)En向低能 級(jí)Em躍遷時(shí)的譜線強(qiáng)度Inm:

【權(quán)利要求】
1. 一種非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法，其特征在于，它基于非常規(guī)條件下氣體 放電實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)裝置包括密閉放電室（1)、棒板銅電極（2)、單色儀（3)、光圖像 采集器（4)、放電圖像采集器（5)和計(jì)算機(jī)（6)， 棒板銅電極（2)設(shè)置在密閉放電室（1)中，棒板銅電極（2)的棒部的首端與板部間具 有間隙，板部與電源地連接，棒部的末端經(jīng)過(guò)一電阻與高電壓電源連接； 密閉放電室（1)的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)壁上分別設(shè)置有石英玻璃窗（1-1)，該兩個(gè)相對(duì)的側(cè) 壁與棒板銅電極（2)的板部的放電表面相垂直； 單色儀（3)用于采集透過(guò)一個(gè)石英玻璃窗（1-1)的光信號(hào)，光圖像采集器（4)用于采 集單色儀（3)出射口輸出的光信號(hào)，光圖像采集器（4)采集獲得的光圖像信號(hào)傳遞給計(jì)算 機(jī)（6); 放電圖像采集器（5)用于采集透過(guò)另一個(gè)石英玻璃窗（1-1)的放電圖像，放電圖像采 集器（5)再將放電圖像傳遞給計(jì)算機(jī)（6); 所述分析方法為： 由光圖像采集器（4)采集獲得密閉放電室（1)內(nèi)電暈放電過(guò)程中粒子在高能級(jí)En向 低能級(jí)Em躍遷時(shí)的譜線強(qiáng)度Inm :
式中Ami為粒子從能級(jí)n躍遷到能級(jí)m的自發(fā)躍遷概率；h為普朗克常量；Vmi為粒子從 能級(jí)n躍遷到能級(jí)m時(shí)光的頻率；Nn為激發(fā)能級(jí)為n的粒子密度；1是測(cè)量方向上粒子的厚 度； 粒子在公共下能級(jí)的兩條譜線相對(duì)強(qiáng)度比值為：
式中1"為粒子在高能級(jí)Em向低能級(jí)民躍遷時(shí)的譜線強(qiáng)度，Im為粒子在高能級(jí)En向 低能級(jí)民躍遷時(shí)的譜線強(qiáng)度；Nm為激發(fā)能級(jí)為m的粒子密度；Nn為激發(fā)能級(jí)為n的粒子密 度；A"為粒子從能級(jí)m躍遷到能級(jí)r的自發(fā)躍遷概率；Anr為粒子從能級(jí)n躍遷到能級(jí)r的 自發(fā)躍遷概率；V"為粒子從能級(jí)m躍遷到能級(jí)r時(shí)光的頻率；Vnr為粒子從能級(jí)n躍遷到能 級(jí)r時(shí)光的頻率； 建立波爾茲曼分布方程，當(dāng)粒子達(dá)到熱力學(xué)平衡或局部熱力學(xué)平衡時(shí)，同種粒子的兩 個(gè)能級(jí)Em和En上的粒子密度滿足：
式中為粒子在m能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，gn為粒子在n能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，k為波爾茲曼常 數(shù)，T為粒子溫度； 將公式三代入公式二消去粒子密度參數(shù)，獲得粒子躍遷時(shí)的譜線強(qiáng)度與溫度關(guān)系方 程：
式中A為校正因子；再由粒子溫度T，確定密閉放電室（1)內(nèi)氣體介質(zhì)的光譜特性，進(jìn) 而獲得粒子密度分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法，其特征在于，所述粒 子密度N6為：
式中1°為原子譜線強(qiáng)度，g+為激發(fā)態(tài)統(tǒng)計(jì)權(quán)值，A+為離子自發(fā)躍遷概率，V+為激發(fā)態(tài)粒 子光頻率，為電子質(zhì)量，I+為電離離子譜線強(qiáng)度，g°為基態(tài)統(tǒng)計(jì)權(quán)值，A°為原子自發(fā)躍遷 概率，V°為基態(tài)原子光頻率，E°為原子光譜線的激發(fā)電位，E+為離子光譜線激發(fā)電位，Ei為 某元素的電離能。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非常規(guī)條件下氣體放電實(shí)驗(yàn)分析方法，其特征在于，所述 實(shí)驗(yàn)裝置還包括同步器（7)，同步器（7)的同步信號(hào)輸出端同時(shí)連接光圖像采集器（4)和放 電圖像采集器（5)的同步信號(hào)輸入端。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK104360253SQ201410746670
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】鄭殿春, 趙大偉, 鄭秋平, 劉志勇, 陳亭, 楊仁旭 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)