pco.dicam相機(jī)助力氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿過程的光學(xué)測量實驗研究
（論文部分內(nèi)容摘抄）
高功率脈沖技術(shù)中，開關(guān)技術(shù)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(guān)鍵.具有耐受電壓高、導(dǎo)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(guān)的研制,是脈沖功率技術(shù)中的重要研究內(nèi)容.氣體觸發(fā)開關(guān)是利用氣體擊穿特性工作的開關(guān),因為其結(jié)構(gòu)簡單、容易操作等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。超高速像機(jī)已廣泛應(yīng)用于軍事科學(xué)和民用科學(xué)領(lǐng)域,可在納秒量級內(nèi)記錄開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程，是研究氣體開關(guān)擊穿過程的重要光學(xué)測量手段。
實驗設(shè)計及理論模擬
實驗系統(tǒng)主要由氣體觸發(fā)開關(guān)和超高速相機(jī)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(jī))。該超高速相機(jī)有4個MCP(微通道板)像增強(qiáng)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(jī)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(jī)直接對準(zhǔn)氣體觸發(fā)開關(guān)電極進(jìn)行拍照，圖2從氣體觸發(fā)開關(guān)負(fù)載上經(jīng)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(jī)外部電觸發(fā)要求，可以進(jìn)行光學(xué)測量實驗，選擇單曝光模式，4個通道的延遲時間分別設(shè)置為0.8ns，16ns，24ns（即每個通道隔8ns開始拍照）曝光時間均設(shè)置為8ns，相機(jī)記錄了0到32ns連續(xù)時間段內(nèi)氣體觸發(fā)開關(guān)的擊穿導(dǎo)通過程，圖3是單曝光模式下氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通照片，從相機(jī)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(dǎo)通有放電火花產(chǎn)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(fù)電極之間電壓為4kV，故觸發(fā)極與正電極先導(dǎo)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(qiáng)，并且觸發(fā)極與負(fù)電極開始擊穿導(dǎo)通，有比較弱的放電火花產(chǎn)生，16ns、24ns后通道的照片中觸發(fā)極與負(fù)電極間的放電火花相對與照片2明顯依次增強(qiáng)，并且通道4照片中觸發(fā)極與正負(fù)電極間的放電火花強(qiáng)度基本一致,證明此氣體觸發(fā)開關(guān)在24ns后正負(fù)電極已完全擊穿導(dǎo)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(shè)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(guān)10.5us內(nèi)擊穿導(dǎo)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(nèi)正負(fù)電極之間放電火花依次明顯增強(qiáng),而6至10.5μs內(nèi)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(guān)擊穿導(dǎo)通過程基本結(jié)束，實驗證明該開關(guān)導(dǎo)通過程持。pco.dicam超高速相機(jī)存在無法消除的48ns系統(tǒng)延遲時間，實驗中由觸發(fā)開關(guān)的觸發(fā)極引出相機(jī)電觸發(fā)信號，當(dāng)開關(guān)開始擊穿后48ns相機(jī)才開始拍攝第幅照片，相機(jī)無法與開關(guān)保持同步工作，另外，實驗中我們從開關(guān)的負(fù)載上引入相機(jī)的外部電觸發(fā)信號當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通后負(fù)載上的電壓才使相機(jī)觸發(fā)拍照，不能觀察到開關(guān)開始擊穿導(dǎo)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(guān)，一路信號提前48ns觸發(fā)超高速相機(jī)，這樣才能使相機(jī)真正保持與開關(guān)同步觸發(fā)，拍攝到擊穿導(dǎo)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(xué)測量方法研究氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程，由超高速相機(jī)所得到的納妙量級和微妙量級開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程圖像可以看出，氣體觸發(fā)開關(guān)擊穿過程可分為兩個階段，實驗結(jié)果與靜電場模擬結(jié)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(xué)測量方法是研究高壓開關(guān)擊穿導(dǎo)通過程的有效手段。本實驗為進(jìn)一步研究高壓開關(guān)擊穿過程打下了一定的理論和實驗基礎(chǔ)。
德國Excelitas PCO公司pco.dicam相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)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(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
廣州市元奧儀器有限公司作為德國Excelitas PCO公司攝像機(jī)在中國的代理商，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時聯(lián)系交流，公司網(wǎng)址：www.gzyaco.com、電話：400-860-2677。
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