大氣壓管板結構納秒脈沖放電中時域X射線研究?

侯興民 章程? 邱錦濤 顧建偉王瑞雪邵濤?

1)(中國科學院電工研究所,北京 100190)

2)(中國科學院大學,北京 100039)

3)(中國電力科學研究院,北京 100192)

大氣壓管板結構納秒脈沖放電中時域X射線研究?

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1)(中國科學院電工研究所,北京 100190)

2)(中國科學院大學,北京 100039)

3)(中國電力科學研究院,北京 100192)

(2017年1月9日收到;2017年3月12日收到修改稿)

納秒脈沖放電能在大氣壓下產生高電子能量、高功率密度的低溫等離子體,由于經典放電理論無法很好地解釋納秒脈沖放電中的現(xiàn)象,近年來以高能逃逸電子為基礎的納秒脈沖氣體放電理論受到廣泛關注.納秒脈沖放電會產生高能逃逸電子,伴隨產生X射線,研究X射線的特性可以間接反映高能逃逸電子的特性.本文利用納秒脈沖電源在大氣壓下激勵空氣放電,通過金剛石光導探測器測量放電產生的X射線,研究不同電極間隙、陽極厚度下和空間不同位置測量的X射線特性.實驗結果表明,在大氣壓下納秒脈沖放電能產生上升沿約1 ns,脈寬約2 ns的X射線脈沖,其產生時間與納秒脈沖電壓峰值對應,經計算探測到的X射線能量約為2.3×10?3J.當增大電極間隙時,探測到的X射線能量減弱,因為增大電極間隙會減小電場強度和逃逸電子數,從而減少陽極的軔致輻射.電極間距大于50 mm后加速減弱,同時放電模式從彌散過渡到電暈.隨著陽極厚度增加,陽極后方和放電腔側面觀察窗測得的X射線能量均有所減弱,在陽極后面探測的X射線能量減弱趨勢更加明顯,這說明X射線主要產生在陽極內表面,因此增加陽極厚度會使穿透陽極薄膜的X射線能量減少.

∶氣體放電,納秒脈沖,逃逸電子,X射線

PACS∶52.80.—s,51.50.+vDOI∶10.7498/aps.66.105204

1 引 言

納秒脈沖等離子體及其應用是脈沖功率技術中很有前景的發(fā)展方向之一.納秒脈沖特有的窄脈寬使得納秒脈沖放電具有諸多優(yōu)點∶高功率密度、高折合電場強度,激發(fā)的等離子體粒子具有高反應效率、高平均電子能量、可抑制火花通道形成的超快上升沿[???]等.這些優(yōu)點導致納秒脈沖放電等離子體技術已應用于生物醫(yī)學、表面處理、化學沉積、航天器控制、等離子體助燃和逃逸電子束[???]等領域.然而,納秒脈沖放電機理十分復雜,傳統(tǒng)的湯生定理和流注理論均不再適用,因為無法解釋納秒脈沖放電過程中的二次電子崩形成和流注發(fā)展的現(xiàn)象[???],另外納秒脈沖放電不同于其他放電的一些特點也無法解釋,如納秒脈沖放電不能充分形成流注、擊穿電壓較高、不易形成電弧通道、產生高能逃逸電子、放電出現(xiàn)多通道等[???].20世紀以來,在經典的湯生定理和流注理論基礎之上,研究人員就納秒脈沖放電機理提出了多種假說,如Mesyats的電子崩鏈模型[?],Kunhardt的“兩組模型”[?],Babich的電子倍增管模型[?]和Vasilyak的快速電離波擊穿模型等[?].上述理論雖然各有不同,但共同點是認為逃逸電子擊穿對納秒脈沖氣體放電過程中電子崩的產生發(fā)展、流注的形成和電離波傳播都起著重要的作用.

逃逸電子是解釋納秒脈沖放電機理的關鍵,研究人員普遍根據Bethe公式[?]判定電子是否逃逸.該公式指出電子受到的阻力隨電子能量的增加呈先增后減的趨勢,當電子能量大于阻力極值對應的能量后受到的阻力減小,電子可以在電場中持續(xù)獲得能量并達到很高的速度,發(fā)生逃逸,稱為逃逸電子.由于逃逸電子能量很高,在運動過程中發(fā)生的碰撞會很少,碰撞之間的距離變長,它的平均自由程比普通電子的長[?].對產生逃逸電子的電場強度,一般有兩種定義：一種是局部定義,即空間中某一點處的外加電場超過一定值時電子進入逃逸模式,這個值在大氣壓中約為450 kV/cm;第二種為Yakovlenko[?]提出的非局部定義,考慮到放電中所有電子的行為,在該電場強度下,基本大部分電子都過渡到逃逸模式,大氣壓氮氣環(huán)境下該值約為2 MV/cm.研究發(fā)現(xiàn),納秒脈沖放電過程總是伴隨X射線輻射的產生,由于X射線主要來源于高能逃逸電子撞擊陽極產生的軔致輻射,以及碰撞激發(fā)氣隙中的中性粒子,因此,目前研究人員通過探測放電過程中產生的X射線來研究高能電子的逃逸行為[?,?,???].作為逃逸電子產生的直接判據,X射線可以間接地反映高能電子的能量和運動參數.探測X射線的常用方法是采用閃爍體探測器等配合光電倍增管，將光信號轉化為電信號，再進行放大輸出測量.20世紀以來,國內外研究人員對X射線進行了很多研究,例如∶Kochkin等[?]使用LaBr3(Ce)閃爍體研究了1 MV電壓下的長間隙空氣放電中的X射線能量特性;俄羅斯Oreshkin等[?]利用閃爍體晶體測量大氣壓納秒脈沖下逃逸電子激發(fā)的X射線時域分布,得到脈寬10—20 ns,能量超過5 keV的X射線;Tarasenko等[?,?]在納秒脈沖大氣壓放電中探測逃逸電子,并使用半導體探測器,測量X射線的能譜分布,獲得的X射線能量可達幾百keV[?].除了上述的X射線探測方法,另一個有效手段是采用金剛石光導探測器(PCD)[?],如Spielman采用了5種PCD進行Z箍縮實驗[?],但是用于逃逸電子產生的X射線的研究較少.

由于實際脈沖電源的開關種類和拓撲結構多樣,其輸出的脈沖參數及后級驅動的氣體放電特性也不同,在比較了自制的微秒電源、納秒電源和俄羅斯電源后[?,?],發(fā)現(xiàn)俄羅斯電源具有的較高的電壓(約120 kV)和更窄的脈沖上升時間能夠產生伴隨明顯X射線的逃逸電子,便于X射線探測實驗進行觀察.為了深入研究納秒脈沖放電產生的X射線的特性,本文采用電壓幅值0—?200 kV、脈沖寬度3—5 ns、上升沿1.2—1.6 ns、最大重復頻率1 Hz的納秒脈沖電源激勵大氣壓彌散放電,研究了管板電極放電下不同電極距離、不同陽極厚度和不同位置產生的X射線時域特性,并對X射線和納秒脈沖放電機理進行探索.

2 實驗裝置與測量系統(tǒng)

實驗在敞開的空氣環(huán)境下進行,實驗溫度20?C左右,氣壓約96 kPa,裝置如圖1所示.基于火花開關的納秒脈沖電源VPG-30-200具體參數為∶電壓幅值0—?200 kV,脈沖寬度3—5 ns,上升沿1.2—1.6 ns,最大重復頻率1 Hz.放電腔結構為管板電極,陰極不銹鋼管內徑為6 mm、長約10 mm、壁厚約0.1 mm,陽極選用金屬鋁箔,每層鋁箔厚度約20μm,陰陽極間距3 mm到55 mm之間連續(xù)可調,放電腔外壁接地,陽極也接地.兩個PCD探測器如圖1所示分別放置在放電腔的側方和陽極后方.PCD探測器產生的電信號經過一個電壓偏置模塊后與示波器相連,該偏置模塊由100 V的直流穩(wěn)壓電源供電.采用的示波器型號為LeCroy Waverunner 204 Xi,采樣率10 GS/s,最高帶寬2 GHz,所有電信號均采用SMA接口和50 ?同軸射頻電纜進行連接傳輸.

圖1 實驗裝置圖Fig.1.Schematic view of the experiment setup.

X射線的測量裝置PCD放置位置如圖2(a)所示,一個放置在放電腔側面,PCD探頭深入放電腔的觀察窗但不與放電腔接觸,距中軸線4 cm,用來測量放電腔側面的X射線.一個放置在陽極后方,保持在距陽極4 mm的中軸線上,與陽極不接觸,用來測量穿過陽極薄膜的X射線能量.

圖2 測量裝置示意圖 (a)放電腔結構圖;(b)PCD信號測量示意圖Fig.2.Schematic of the measurement:(a)Structure of discharge chamber;(b)schematic of PCD signal measurement.

本文X射線測量采用的PCD,是美國AASC公司的產品,其探測元件是一塊面積為3 mm×1 mm、厚度為1 mm的II-a型金剛石,當偏置電壓為100 V時,在0.1—5.0 keV的光子能量范圍內,靈敏度近似為常數(S=5×10?4A/W)[?].圖2(b)所示為一個PCD的信號測量示意圖,100 V直流電源通過電阻R,電容C和信號電阻R0組成的回路對電容C進行充電,為PCD提供偏置電壓Ubias,當X射線射入PCD接收面上時,將在由PCD、同軸電纜、電容C以及信號電阻R0形成的回路中產生電流,從而在R0上產生信號電壓,通過示波器顯示記錄.由于信號電阻R0的阻值為50 ?,與同軸電纜的特征阻抗匹配,所以示波器上得到的信號電壓不存在反射波.

圖3 典型的放電圖像Fig.3.Typical discharge image.

圖4 典型時域X射線波形Fig.4.Typical waveform of temporal X-ray.

3 實驗結果

3.1 典型測量結果及計算

本實驗典型放電圖像如圖3所示,圖像使用單反拍攝,曝光時間為0.04 s,圖中標出了陰極管、觀察窗和陽極板的位置.陰極附近可見“電爆炸”形成的亮斑[?],在兩電極之間區(qū)域已形成了明顯的、均勻的放電通道,但未形成火花或電弧,可見放電形式為彌散放電.放電區(qū)域之所以看起來是扇形的,是因為透過觀察窗拍攝,為觀察窗的圓形邊緣,若從側面拍攝,則看起來更均勻.圖像中間之所以看起來有黑的不發(fā)光區(qū)域,是因為管電極為軸對稱,從側面看,上下側疊加了更多的光,比只有前后兩個壁發(fā)光的中間部分更亮.放電腔側方的PCD測得的典型X射線時域波形與脈沖放電電壓波形如圖4所示,放電實驗在大氣壓空氣中進行,脈沖放電電壓幅值約?120 kV,管板電極間距為40 mm,本課題組前期的實驗及仿真[?]表明本文條件下產生了逃逸電子.在多次脈沖激勵下PCD測得的X射線波形穩(wěn)定且幅值相差不大,由圖中可見,典型實驗條件下可以測得幅值約4 V,上升沿約1 ns,脈寬約2 ns的X射線電壓信號.該結果與王新新[?]和鄒曉兵等[?]的測量結果一致,他們利用PCD測量X箍縮中的X射線,其脈沖上升沿約1 ns,幅值約6 V.他們研制的五通道的軟X射線譜儀測量的X射線波形上升沿在幾十納秒左右,幅值約10 V,但波形總體上和本文一致,這主要是由于電源參數不同造成的,PCD的輸出結果與電源參數密切相關[?].

通過上面測量的電壓波形,可以根據裝置參數計算得到探頭處的X射線能量數值.為了簡化計算,可認為X射線在放電區(qū)域均勻分布,將整個放電腔在二維空間中坐標化,得到圖5所示的坐標圖,其中橫軸沿放電腔中軸線,縱軸沿徑向分布,坐標原點與陽極中心重合.因此一個PCD小面積微元測量的X射線能量和單個脈沖作用下腔體側面內部總體X射線能量的比值等于二者的面積比.由于PCD測量到的信號為電壓信號,并不能直觀地得到X射線能量,因此需要利用測量到的波形進行解譜.其主要計算過程包括PCD微元內測量的X射線能量和放電腔體內部X射線總能量.

圖5 簡化的二維坐標軸下放電腔體Fig.5. Simplified dischargechamberin twodimensional axis

1)PCD微元內X射線能量

靈敏度S為PCD的重要參數,表示單位功率或者單位能量的X射線入射到PCD的接收面時,示波器所能測量到的信號幅值,當外加偏置電壓為100 V時,PCD的靈敏度具有(1)式所示的形式∶

式中I表示PCD測量回路中的電流,P為X射線功率.其中測量回路中的電流I可由(2)式計算∶

式中U為示波器測量的X射線電壓信號.于是PCD測量的X射線的能量具有(3)式所示的表達形式∶

2)放電腔體內部X射線總能量

如圖5所示,PCD放置在放電腔側方位置,金剛石的有效接收面積為3 mm×1 mm.如上文所述,由于認為X射線在放電腔壁上均勻分布,PCD微元內接收的X射線能量與放電腔側面接收的X射線總能量,是與兩者的接收面積成正比的,如(4)式所示∶

式中x為放電腔長度,其值取40 mm;r為放電腔內徑,其值為75 mm;EX-ray為放電腔體中X射線總能量.因此,單次脈沖作用下X射線能量可由(5)式計算∶

根據上述的計算過程,可以計算得到典型波形下產生的X射線能量約為2.3×10?3J.

3.2 電極距離和測量位置對X射線的影響

為了驗證納秒脈沖放電對PCD測得的X射線的影響,通過改變電極距離來探究放電產生的X射線能量的變化.圖6所示為放電腔側方的PCD測得的X射線電壓幅值及計算得到的X射線能量與電極間距的關系.實驗中保持脈沖電源峰值電壓?120 kV不變,陰極采用不銹鋼管電極,其內徑為6 mm,陽極使用20μm厚度的鋁箔,保持PCD和陽極位置不動,調整陰極管的位置使陰極與陽極的間距分別為45,47.5,50,52.5和55 mm,放電在大氣壓的空氣環(huán)境下進行.由圖6可見,放電腔側面的X射線電壓幅值及計算得到的X射線能量均隨電極間距的增加而減小,且在50 mm后減小加快,同時放電模式從彌散過度到電暈.此外,X射線電壓和X射線能量差異最大的地方體現(xiàn)在誤差上,圖中不同極間距離下X射線電壓誤差變化不大,而X射線能量誤差更小,分布更均勻.該現(xiàn)象主要是受到X射線能量計算原理的影響,實際上決定X射線能量的因素不僅有電壓幅值,還有脈寬等,低幅值長脈寬也能得到較高的X射線能量.分析極間距離的影響認為,在納秒脈沖放電下逃逸電子轟擊陽極材料而驟然減速,產生軔致輻射即高能X射線.而同樣放電電壓下短間距導致放電強度增加,逃逸電子數目增加,逃逸電子與陽極材料碰撞產生軔致輻射即X射線能量也相應增加.

圖6 電極間距對X射線能量的影響Fig.6.Dependence of X-ray energy on inter-electrode gap.

圖7 陽極厚度對側方和后方PCD上電壓的影響Fig.7.Dependence of PCD voltage on anode thickness at different placement.

本文還探究了不同陽極厚度和不同探測位置對X射線能量的影響.實驗中保持施加電壓約?120 kV,極間距離40 mm,分別放置兩個同樣的PCD在前文所述的放電腔側方和陽極后方位置,采用疊加多片厚20μm的鋁箔的方法得到不同的陽極厚度,實驗結果如圖7所示,圖中黑色實線為放電腔側面測量的結果,藍色虛線為陽極后方測量的結果.由圖可見,隨陽極厚度的增加,二者測量的X射線電壓幅值均表現(xiàn)出減小的趨勢.對比兩個位置的電壓數值,發(fā)現(xiàn)側方明顯比陽極后方的X射線能量更強,陽極后方強度弱主要是由于X射線穿透陽極鋁箔時有反射和吸收,并且放電腔側方的X射線除了來源于陽極的軔致輻射,還有一部分來源于放電過程中高能逃逸電子與氣體分子碰撞的結果,此外逃逸電子不可避免地會撞擊放電腔體內壁,同樣會產生部分X射線,因此側方的X射線幅值要高很多.而陽極后方X射線能量隨陽極厚度衰減的線性關系非常顯著,表明納秒脈沖放電產生的X射線主要產生在陽極內表面,產生的X射線不能全部穿透陽極薄膜,因此陽極厚度的增加導致穿透陽極后接收的X射線能量線性減少.表1所示為兩個位置測得的X射線能量,其變化規(guī)律也印證了上述規(guī)律的合理性.

表1 不同陽極厚度下X射線能量Table 1.X-ray energy of different anode thickness.

4 討 論

4.1 納秒脈沖放電機理

目前納秒脈沖放電機理尚無統(tǒng)一理論,雖然現(xiàn)有的一些機理假說彼此之間存在差異,但大部分研究認為納秒脈沖形成放電的過程中,空間光電離不再是主導產生二次電子的主要因素,而是由高能電子逃逸擊穿主導[?,?,???].圖8給出了典型的納秒脈沖管板放電過程的示意圖,圖中管板電極結構中,場強最高部分集中在陰極小曲率半徑處,比如管電極的管口端面,但幾乎任何材料不可避免地在其表面存在金屬晶須,晶須的出現(xiàn)改變了局部電場的分布.當負極性的脈沖電壓施加在管電極上時,管電極小曲率半徑處電場得到加強,由于脈沖電壓上升沿在亞納秒量級,該條件下局部電場能夠在極短的時間內達到甚至超過陰極場致發(fā)射的標稱場強,由陰極尖端處產生場致發(fā)射產生初始電子,初始電子的運動產生焦耳熱使得金屬晶須爆炸形成陰極亮斑.初始電子及電爆炸產生的電子發(fā)展形成電子崩,迅速向陽極運動.而電子崩中產生的正離子由于質量大加速緩慢,進一步增強了陰極附近區(qū)域的場致發(fā)射.同時電子崩中的電子與氣體分子碰撞產生的光電效應促進了陰極附近電子的產生.當納秒脈沖電壓急劇增加到幾十千伏時,陰極區(qū)域的場強也急劇增加,使其中的大部分初始電子過渡到逃逸模式,如圖8(a)所示,其中標出的電子代表逃逸電子.陰極附近正離子的存在進一步增強了陰極附近區(qū)域的局部電場,使得陰極電子發(fā)射得以維持,由于該區(qū)域約化場強E/N(E為電場強度,N為氣體密度)極高,這些逃逸電子在電場的作用下加速,能量可以累積到幾十keV.其中部分電子能夠達到陽極,而其他的逃逸電子則與氣隙中分子發(fā)生碰撞產生二次電子和正離子,電子自身能量降低并釋放出X射線,二次電子的運動產生二次電子崩,同時由于逃逸電子速度比主電子崩速度快,所以新產生的二次電子崩造成主電子崩頭部變窄,如圖8(b)所示.波頭會在高能電子和氣隙中帶電粒子的共同作用下向陽極運動,當高能逃逸電子到達陽極時,電子撞擊陽極金屬板上的原子,電子能量驟減,伴隨大量X射線產生,該過程即軔致輻射.這些逃逸電子不斷電離主電子崩頭部附近區(qū)域,引導二次電子崩,并與主電子崩匯合使其繼續(xù)向前發(fā)展直至形成流注,完成間隙擊穿,如圖8(c)所示.由于納秒脈沖初始電子數目足夠大,氣隙中會形成相當數目的次級電子崩,并和主電子崩相互交疊,外觀表現(xiàn)為彌散的放電形式.

圖8 納秒脈沖管板放電過程示意圖Fig.8.Schematic diagram of discharge progress in nanosecond-pulse discharges with a tube-to-plane gap.

4.2 放電條件與X射線的關系

在納秒脈沖間隙擊穿的過程中,高能逃逸電子與陽極金屬板或氣隙內氣體分子碰撞后急劇減速,均會產生X射線.不同的是,由于逃逸電子在氣隙內的能量較低,因此輻射出的X射線能量較低,為幾百eV到十幾keV的軟X射線.而經過氣隙內電場加速到達陽極的逃逸電子能量較高,可達20 keV以上,產生的X射線能量也較高.可見X射線主要來源于兩個方面,一方面來自氣隙內(包括陰極附近區(qū)域和等離子體內部),另一方面來自逃逸電子到達陽極后的軔致輻射,其中后者占主要部分.假設所探測到的X射線全部來自軔致輻射,則獲得的單一能量的X射線譜線與逃逸電子能量有如下關系∶

式中P為X射線強度,ε為入射的逃逸電子能量,hγ為輻射X射線的能量,A為常數.各能級逃逸電子激發(fā)的X射線強度累加后可以獲得韌致輻射產生的X射線強度.

X射線的強度與放電形式的關系密切.同樣是大氣壓納秒脈沖放電,從放電現(xiàn)象上來看,不同的放電模式對X射線的計數有影響[?];從放電實驗條件而言,納秒脈沖放電的脈沖電壓幅值、脈沖上升時間、電極設計、氣隙間距和重復頻率等都會對X射線的計數產生很大影響.

本文對不同放電間隙下X射線測量結果顯示,在45—55 mm的放電間隙下,隨著間隙距離的增大,X射線能量減小,是因為同樣的電源激勵之下,放電間隙的增大導致了電場強度的減弱,電場畸變也相對減弱,進一步產生的逃逸電子數目減少,從而到達陽極的逃逸電子束流減小,與陽極材料碰撞產生軔致輻射即X射線相應地減少,所以測得的X射線能量隨間隙距離呈負相關.

進一步分析圖6可以看出,不但X射線能量隨距離增大而減小,并且在較大的距離下(50 mm以上),X射線能量減小的趨勢加快,這與放電強度密切相關.在更大的間隙下,放電的表現(xiàn)形式由均勻的彌散放電過渡為電暈放電,此時雖然電場畸變能使逃逸電子源源不斷地產生,但是由于只有少量的逃逸電子能夠到達陽極產生軔致輻射,因此探測到的X射線計數要明顯少于先前彌散放電時,從而造成間距為50 mm以上時X射線能量隨距離增加而迅速減小,因為此時間距的增大不是單純地導致了放電減弱,而是引起了放電模式的轉變,導致X射線計數迅速減小.

4.3 觀測位置和X射線的關系

由于放電結構的存在,使得空間中不同位置探測到的逃逸電子產生的X射線特性存在差異.比較放電腔側方和陽極后方的X射線能量,明顯側方比后方X射線能量高一個量級.這是因為X射線主要產生于陽極內表面,后方探測的是X射線穿過陽極后的能量,X射線在透過陽極鋁箔時有一定的反射和吸收,會比側方不經阻擋得到的能量弱,而且放電腔側方X射線除了來源于到達陽極的逃逸電子產生的軔致輻射,還有一部分來源于放電過程中逃逸電子與氣體分子碰撞,此外高能電子不可避免地會撞擊放電腔內壁,同樣會產生部分X射線,都可能被側方的探測器接收,因此,側方探測到的X射線能量比陽極后方高很多.

從圖6中可以明顯看出陽極后方X射線能量隨陽極膜厚的增加而遞減,而且其衰減的線性關系很顯著,表明納秒脈沖放電中X射線主要產生于陽極的內表面,在穿過陽極薄膜時會受到吸收和反射,造成其能量衰減,其衰減程度與陽極厚度呈正比,因此陽極后方X射線能量隨著陽極薄膜的厚度增加呈線性衰減.

5 結 論

本文利用時域X射線探測器PCD對大氣壓下納秒脈沖管板放電中高能電子產生的X射線進行了探測,并在不同電極間距、不同陽極厚度條件下,對兩個位置的X射線特性進行了實驗研究.本文實驗采用電壓幅值約?120 kV,上升沿1.2—1.6 ns,脈寬3—5 ns的納秒脈沖電源激勵管板放電,測得的X射線電壓信號的相位和電源電壓相對應,幅值約4 V,脈寬約2 ns,上升沿約1 ns.經計算得出本實驗條件下典型的X射線能量約為2.3×10?3J.氣隙距離的增加導致X射線強度減弱,認為是電極間隙的增加導致電場強度和逃逸電子數減少,從而導致軔致輻射減弱.電極距離大于50 mm后加速減弱,并且放電模式從彌散過渡到電暈.陽極厚度的增加也導致X射線能量減弱,放電腔側方測得的X射線強度比陽極后方高一個數量級,且陽極后方的X射線強度隨陽極厚度增加而線性減弱的趨勢非常明顯,表明納秒脈沖放電中X射線主要來源于高能逃逸電子撞擊陽極內表面產生的軔致輻射,因此能穿透陽極被探測到的X射線強度隨陽極厚度增大而減小的線性關系明顯.此外,對納秒脈沖放電機理、X射線與放電條件及探測位置的關系進行了探討,但需要指出的是快脈沖條件下放電物理過程十分復雜,納秒脈沖氣體放電機理存在多種假說,探測X射線是從側面研究納秒脈沖氣體放電產生高能逃逸電子及放電機理的方式之一,相關理論還需要大量深入研究來驗證和解釋.

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PACS∶52.80.—s,51.50.+vDOI∶10.7498/aps.66.105204

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51477164,11611530681),and State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System,China(Grant No.LAPS16013).

?Corresponding author.E-mail:zhangcheng@mail.iee.ac.cn

?Corresponding author.E-mail:st@mail.iee.ac.cn

Properties of temporal X-ray in nanosecond-pulse discharges with a tube-to-plane gap at atmospheric pressure?

Hou Xing-Min1)2)Zhang Cheng1)2)?Qiu Jin-Tao1)2)Gu Jian-Wei3)Wang Rui-Xue1)Shao Tao1)2)?
1)(Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)
2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)
3)(China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China)

9 January 2017;revised manuscript

12 March 2017)

Nanosecond-pulse discharge can produce low-temperature plasma with high electron energy and power density in atmospheric air,thus it has been widely used in the fields of biomedical science,surface treatment,chemical deposition, flow control,plasma combustion and gas diode.However,some phenomena in nanosecond-pulse discharge cannot be explained by traditional discharge theories(Townsend theory and streamer theory),thus the mechanism of pulsed gas discharge based on runaway breakdown of high-energy electrons has been proposed.Generally,the generation and propagation of runaway electrons are accompanied by the generation of X-ray.Therefore,the properties of X-ray can indirectly reveal the characteristics of high-energy runaway electrons in nanosecond-pulse discharges.In this paper,in order to explore the characteristics of runaway electrons and the mechanism of nanosecond-pulse discharge,the temporal properties of X-ray in nanosecond-pulse discharge are investigated.A nanosecond power supply VPG-30-200(with peak voltage 0–?200 kV,rising time 1.2–1.6 ns,and full width at half maximum 3–5 ns)is used to produce nanosecond-pulse discharge.The discharge is generated in a tube-to-plane electrode at atmospheric pressure.Effects of the inter-electrode gap,anode thickness and position on the characteristics of X-ray are investigated by measuring the temporal X-ray via a diamond photoconductive device.The experimental results show that X-ray in nanosecond-pulse discharge has a rising time of 1 ns,a pulse width of about 2 ns and a calculated energy of about 2.3× 10?3J.The detected X-ray energy decreases with the increase of inter-electrode gap,because the longer discharge gap reduces the electric field and the number of runaway electrons,weakening the bremsstrahlung at the anode.When the inter-electrode gap is 50 mm,the discharge mode is converted from a diffuse into a corona,resulting in a rapid decrease in X-ray energy.Furthermore,both X-ray energies measured behind the anode and on the side of discharge chamber decrease as anode thickness increases.The X-ray energy measured on the side of the discharge chamber is one order of magnitude higher than that measured behind the anode,which is because the anode foil absorbs some X-rays when they cross the foil.In addition,the X-ray energy behind the anode significantly decreases with the increase of the thickness of anode aluminum foil.It indicates that the X-ray in nanosecond-pulse discharge mainly comes from the bremsstrahlung caused by the collision between the high-energy runaway electrons and inner surface of the anode foil.Therefore,increasing the thickness of the anode foil will reduce the X-ray energy across the anodefilm.

∶gas discharge,nanosecond-pulse,runaway electron,X-ray

?國家自然科學基金(批準號:51477164,11611530681)和新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室開放課題(批準號:LAPS16013).

?通信作者.E-mail:zhangcheng@mail.iee.ac.cn

?通信作者.E-mail:st@mail.iee.ac.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society