胡上茂，姚學(xué)玲，陳景亮

(1．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院高電壓技術(shù)研究所，廣東廣州510080; 2．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049)

短間隙磁控放電離子電流特性及影響因素研究

胡上茂1，姚學(xué)玲2，陳景亮2

(1．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院高電壓技術(shù)研究所，廣東廣州510080; 2．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049)

傳統(tǒng)Penning磁控放電理論測(cè)量真空間隙要求真空間距大于10mm，無法測(cè)量現(xiàn)有短間距1～7mm觸發(fā)真空開關(guān)內(nèi)部真空度。因此，本文實(shí)驗(yàn)研究了在短間隙1～7mm條件下，磁控管放電離子電流特性及其影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Penning磁控放電下隨著氣壓由10－4Pa向10－1Pa增加時(shí)，離子電流波形由三角波逐漸向方波轉(zhuǎn)變，并非呈一方波不變。在電場(chǎng)和磁場(chǎng)滿足Penning磁控放電著火條件下，離子電流峰值只受電場(chǎng)影響，與磁場(chǎng)無關(guān);離子電流脈沖寬度只受磁場(chǎng)的影響，與電場(chǎng)無關(guān)。離子電流峰值與電荷隨氣壓的變化呈冪函數(shù)變化。

真空;氣壓;離子電流;磁控放電;觸發(fā)真空開關(guān)

1 引言

觸發(fā)真空開關(guān)(Triggered Vacuum Switch，TVS)的研究始于20世紀(jì)60年代，在1966年美國(guó)GE公司的Lafferty J M發(fā)表了對(duì)涂覆氫化物觸發(fā)介質(zhì)的TVS的研究成果［1］。隨后國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TVS進(jìn)行大量研究［2-6］，使得TVS進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段［7，8］。TVS的成功應(yīng)用得益于現(xiàn)代真空封接技術(shù)，但無論是何種優(yōu)良的真空封接技術(shù)，都難以保證TVS封接后內(nèi)部氣壓長(zhǎng)期保持在10－3Pa數(shù)量級(jí)以下。隨著TVS儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使其內(nèi)部真空度下降。因此，精確可靠的測(cè)量密封TVS內(nèi)部真空度對(duì)TVS的應(yīng)用具有非常重要的意義。

現(xiàn)有真空度測(cè)量方法主要有非磁控法和磁控法。非磁控法主要包括弧后發(fā)射電流法［9］、發(fā)射電流衰減法［10］、高頻預(yù)擊穿電流法［11］(高頻脈沖電流法)［12］、高頻電流開斷法［13］、電弧電壓法和場(chǎng)致發(fā)射電流電壓法［14］。非磁控法目前處于研究階段，尚無實(shí)際工程應(yīng)用且測(cè)量范圍在10－2Pa左右。磁控法主要是基于Penning磁控放電理論，其原理如圖1所示。

圖1 Penning磁控放電法測(cè)量示意圖Fig．1Measuring schematic of Penning magnetron discharge

Penning磁控放電施加的電壓和磁場(chǎng)都存在一最小值，即電場(chǎng)與磁場(chǎng)的著火條件，如式(1)和式(2)所示。電場(chǎng)與磁場(chǎng)的著火條件與TVS真空間距d和觸頭半徑Rs密切相關(guān)。Penning磁控放電形成穩(wěn)態(tài)離子電流與氣壓的關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系。

電場(chǎng)的著火條件為:

磁場(chǎng)的著火條件為:

式中，me為電子質(zhì)量;e為單位電荷;U為施加的電壓值;λr為粒子自由行程;νr為電子軸向初速度;d為真空間距;Rs為電極半徑;Bmin為施加的最小磁場(chǎng); E1為氣體分子的電離能。

眾多學(xué)者利用Penning磁控放電理論研發(fā)了用于測(cè)量真空開關(guān)內(nèi)部的真空度測(cè)試儀［15-17］。文獻(xiàn)［18，19］報(bào)道研發(fā)的真空度測(cè)試技術(shù)指標(biāo)為:滅弧室管徑小于100mm時(shí)，要求真空間距不小于8mm;滅弧室管徑100mm時(shí)，要求真空間距不小于10mm;滅弧室管徑大于100mm時(shí)，要求真空間距不小于12mm，整個(gè)真空度測(cè)試儀的檢測(cè)范圍為10－4～10－2Pa，測(cè)量誤差為10%。

現(xiàn)有的真空度測(cè)試儀都要求真空間距大于10mm，然而由于高真空擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到15～30kV/ mm，密封的固定間隙TVS的真空間隙通常在1～5mm為多，現(xiàn)有Penning磁控放電法真空度測(cè)試儀不能測(cè)量如此短間隙的真空度。因此，研究短真空間隙磁控放電離子電流特性對(duì)短間距真空度測(cè)量技術(shù)的開發(fā)具有重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

TVS真空度測(cè)量原理如圖2所示，圖中主要包括TVS管、施加的電場(chǎng)和磁場(chǎng)、離子電流測(cè)量四個(gè)部分。其中電場(chǎng)和磁場(chǎng)平行，離子電流由串聯(lián)在回路中的分流器Rshunt進(jìn)行測(cè)量，R2起限流作用。

圖2 TVS真空度測(cè)量原理Fig．2Measuring schematic of TVS vacuum

電場(chǎng)由可控高壓電源器產(chǎn)生，其原理如圖3所示。直流電源首先由變壓器220V/110V變壓后，經(jīng)過整流并由大電容C1(470μF/630V)濾波后由大電流復(fù)合型達(dá)林頓三極管G1控制。通過G1控制施加在高頻高壓變壓器的初級(jí)電壓，流過高壓包的電流由快速行激勵(lì)三極管G2控制。高頻高壓變壓器最高電壓可達(dá)32kV，足夠滿足測(cè)量的需要。復(fù)合型達(dá)林頓三極管G1工作在放大狀態(tài)，通過三極管G1的基極信號(hào)就可以控制施加在高頻變壓器的電壓。行激勵(lì)三極管G2工作在高頻開斷狀態(tài)，其開斷頻率為15kHz。聯(lián)合三極管G1和G2就可以控制高頻高壓變壓器的輸出電壓以及輸出電壓的時(shí)間，并在高壓輸出電極上并聯(lián)RC濾波器，使得輸出的高壓直流電源紋波小于1%，避免了直流紋波引起的離子電流增加造成測(cè)量誤差。

圖3 可控高壓發(fā)生器原理Fig．3Schematic of controllable high-voltage generator

施加的磁場(chǎng)由螺線管線圈產(chǎn)生，原理如圖4所示。變壓器采用220V/300V的隔離變壓器，二極管采用1kV/10A-1N548，儲(chǔ)能電容采用4只4700μF/ 450V兩串聯(lián)和兩并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。放電開關(guān)采用可控硅，可控硅反向耐壓2kV，最大通流能力300A。同時(shí)在螺線管的兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管，有利于螺線管反向續(xù)流。

圖4 磁場(chǎng)激勵(lì)電源原理Fig．4Schematic of magnetic field excitation power

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 離子電流波形特征

磁控放電下施加的直流偏置電壓UB、磁場(chǎng)激勵(lì)電流IMagnetic和Penning放電產(chǎn)生的離子電流Iionic典型波形如圖5所示。直流偏置電壓先于磁場(chǎng)施加在TVS兩端。無磁場(chǎng)作用時(shí)，TVS真空間隙直流偏置電壓維持穩(wěn)定，在磁場(chǎng)激勵(lì)電流增加至一定幅值后直流偏置電壓開始跌落，直流偏置電壓的跌落與離子電流幾乎同時(shí)出現(xiàn)。這與Penning放電的著火條件吻合得很好，即Penning放電必須是電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在的條件下，而且磁場(chǎng)必須大于一定數(shù)值后才能發(fā)生。在磁場(chǎng)足夠強(qiáng)的條件下，電子在電場(chǎng)作用下與殘余氣體分子發(fā)生碰撞。當(dāng)碰撞電離達(dá)到一定數(shù)量級(jí)后，離子電流即出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，同時(shí)由于TVS間隙中充滿了帶電粒子，也會(huì)導(dǎo)致偏置電壓有所跌落。

圖5 離子電流、磁場(chǎng)激勵(lì)電流和偏置電壓的典型波形Fig．5Waveforms of ion current，excitation current and bias voltage

偏置電壓的跌落與TVS真空間隙擊穿不同，間隙擊穿時(shí)偏置電壓幾乎跌落至0，而在離子電流的作用下偏置電壓開始只是跌落稍許幅值，隨后隨著離子電流持續(xù)時(shí)間的增加，偏置電壓緩緩下降。這說明真空間隙中殘余氣體的碰撞電流是微弱的，否則強(qiáng)烈的電離會(huì)引發(fā)真空間隙放電，一旦真空間隙放電，偏置電壓很快會(huì)跌落至最低值。通常在Penning磁控放電時(shí)測(cè)量真空度是需要避免的。由圖5還可看出，離子電流的脈沖寬度與偏置電壓跌落的脈沖寬度基本上一致，而偏置電壓跌落的脈沖寬度受制于磁場(chǎng)激勵(lì)電流脈沖幅值。

3.2 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)離子電流的影響

在氣壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定、真空間距5mm條件下，離子電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系如圖6所示，其中P=5.4×10－4Pa。從圖6可以看出，離子電流的峰值和離子電流電荷隨偏置電壓的增加呈線性增加。然而，離子電流脈沖寬度卻不隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，基本上維持在58.6ms左右。這意味著偏置電壓大于著火條件后，離子電流的脈沖寬度與偏置電壓的幅值沒有關(guān)系，而離子電流幅值與偏置電壓呈線性關(guān)系。

圖6 離子電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化Fig．6Ion current varies with electric field intensity

造成離子電流幅值和離子電荷隨電場(chǎng)變化而離子電流脈沖寬度不隨電場(chǎng)變化的原因是:磁場(chǎng)充電電壓固定的條件下，磁場(chǎng)激勵(lì)電流的幅值和寬度也是固定的，也就是磁場(chǎng)強(qiáng)度大于著火條件的持續(xù)時(shí)間是固定的。而Penning磁控放電必須在磁場(chǎng)大于一定幅值條件下才能獲得磁控下的離子電流。這意味著在電場(chǎng)滿足Penning磁控放電條件下，離子電流的出現(xiàn)和消失受制于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。因此，在磁場(chǎng)激勵(lì)電流脈沖固定的條件下，磁控放電的離子電流的脈沖寬度不隨電場(chǎng)變化。

另外，隨著偏置電壓的增加，TVS真空間隙中電場(chǎng)必然會(huì)增強(qiáng)，從而使電子在單位時(shí)間獲得的動(dòng)能增加了;電子動(dòng)能的增加，使電子與殘余氣體分子發(fā)生碰撞電離的幾率提高，電離幾率的提高必然造成離子電流的幅值增加。再者，隨著偏置電壓的增加，真空間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，也會(huì)使在電場(chǎng)作用下場(chǎng)致發(fā)射電子增加;場(chǎng)致發(fā)射電子的增加提供了濃度更高的初始電子，從而使磁場(chǎng)達(dá)到著火條件后碰撞電離的離子電流幅值增加;離子電荷是由離子電流對(duì)時(shí)間積分得到的。因此，在離子電流脈寬相同的條件下，離子電荷與離子電流幅值呈線性關(guān)系，離子電流和離子電荷隨電場(chǎng)增加而線性地增加。

3.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)離子電流的影響

在氣壓和電場(chǎng)強(qiáng)度恒定、真空間距5mm條件下，離子電流隨磁場(chǎng)激勵(lì)電流的變化關(guān)系如圖7所示，其中P=5.4×10－4Pa，UB=12kV。從圖7中可以看出，離子電流峰值基本上不隨磁場(chǎng)激勵(lì)電流增加而增加，離子電流脈沖寬度隨著磁場(chǎng)激勵(lì)電流的增加呈近似指數(shù)規(guī)律增加。隨著磁場(chǎng)激勵(lì)電流從17A增加至80A，離子電流脈沖寬度從33ms增加至60ms。而由于離子電荷是由離子電流積分得到，離子電流脈沖峰值保持不變，而脈沖寬度隨磁場(chǎng)激勵(lì)電流增加，因此，計(jì)算得到磁場(chǎng)激勵(lì)電流從17A增加至80A時(shí)，離子電荷從30μC增加至50μC。

圖7 離子電流隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化Fig．7Ion current varies with magnetic field strength

離子電流峰值不隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的原因是由于施加的偏置電壓和TVS真空間隙內(nèi)部的氣壓不變，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生電離碰撞的幾率基本穩(wěn)定，殘余氣體分子的電離與復(fù)合達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，也就是離子電流峰值達(dá)到一穩(wěn)定的數(shù)值。這一結(jié)論也得到眾多文獻(xiàn)的支持［15，16］。在磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足著火條件后，隨著磁場(chǎng)激勵(lì)電流的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度大于著火條件的磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值的持續(xù)時(shí)間必然延長(zhǎng)。這意味著隨著磁場(chǎng)激勵(lì)電流的增加，單次磁控放電的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，體現(xiàn)在離子電流脈沖波形上就是離子電流的脈沖寬度增加。離子電流脈沖寬度的增加必然會(huì)使離子電流積分電荷增加，離子電流峰值基本上不受磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，而離子電荷受磁場(chǎng)的影響比較大。

3.4 真空間距對(duì)離子電流的影響

在電場(chǎng)和磁場(chǎng)固定的條件下，離子電流隨真空間距的變化關(guān)系如圖8所示，其中P=0.02Pa，UB= 10kV，磁場(chǎng)激勵(lì)電流IMagnetic=77.2A。從圖8中可以看出，離子電流峰值和電荷受真空間距的影響，離子電荷在平均值28.39(1±10%)μC內(nèi)波動(dòng)，離子電流峰值隨著真空間距的增加而略有下降，減小幅度達(dá)到5%。其最大值為0.831mA，最小值為0.792mA。真空間距1～10mm變化時(shí)，離子電流峰值波動(dòng)達(dá)到5%，此波動(dòng)會(huì)增大真空度測(cè)量誤差。因此，測(cè)量真空管真空度時(shí)需要在固定真空間距條件下進(jìn)行標(biāo)定。

同時(shí)由圖8可以看到，離子電流峰值受真空間距的影響相對(duì)較小，因此，采用離子電流峰值來表征真空度具有較好的精度。

3.5 氣壓與離子電流的關(guān)系

圖8 離子電流隨真空間距的變化Fig．8Ion current varies with vacuum gap distance

在真空間隙電壓強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度不變、間距固定為5mm條件下，離子電流波形隨氣壓的變化關(guān)系如圖9所示，其中UB=8kV，IMagnetic=63.1A。從圖9中可以看出:①離子電流和偏置電壓波形近似為梯形，在起始階段，離子電流有一階躍式增加，同時(shí)偏置電壓呈一階躍式跌落;隨后離子電流呈線性遞增，偏置電壓呈線性遞減，最后在同時(shí)階躍式復(fù)位至初始狀態(tài);②離子電流和偏置電壓起始階躍變化的幅值受氣壓影響，在氣壓較小時(shí)，離子電流和偏置電壓階躍變化的幅值相對(duì)較小，隨著氣壓的上升，起始時(shí)刻離子電流和偏置電壓階躍變化的幅值呈近似線性增加;在氣壓較高時(shí)，離子電流和偏置電壓的變化具有類似方波波形;③離子電流起始階躍變化時(shí)存在一尖峰脈沖，該尖峰脈沖的幅值受氣壓影響，隨著氣壓升高，離子電流尖峰脈沖幅值呈增大趨勢(shì)。

引起離子電流和偏置電壓發(fā)生階躍變化的原因如下:開始初始電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下，電場(chǎng)近似為恒定電場(chǎng)，而磁場(chǎng)隨著磁場(chǎng)激勵(lì)電流呈脈沖變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度大于著火條件后，電子與殘余氣體分子發(fā)生碰撞電離，短時(shí)間內(nèi)形成數(shù)量較多的等離子體;等離子體中的電子在電場(chǎng)作用下向陽極運(yùn)動(dòng)并同時(shí)與殘余氣體再次發(fā)生碰撞，等離子體中的離子在電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng);大量的電子向陽極積聚以及大量的離子向陰極積聚，從而使陰極的離子電流有一階躍增加，而且電子大量積聚陽極也造成偏置電壓的階躍跌落;隨后脈沖磁場(chǎng)進(jìn)一步增加，電子與殘余氣體分子碰撞進(jìn)一步增加，電子與殘余氣體的碰撞逐漸向飽和電離碰撞靠近，從而使碰撞電離形成等離子體濃度增大，測(cè)量的離子電流呈線性增加，同時(shí)電子數(shù)量增加使偏置電壓呈線性減小。

圖9 離子電流和偏置電壓波形隨氣壓的變化Fig．9Waveforms of ion current and bias voltage vary with pressure

根據(jù)離子電流隨氣壓的變化關(guān)系得到離子電流電荷和峰值隨氣壓的變化關(guān)系，如圖10所示，其中UB=8kV，IMagnetic=63.1A。氣壓的變化引起Penning放電形成等離子體的變化，等離子體的變化引起離子電流波形的變化，離子電流波形的變化體現(xiàn)在離子電流峰值隨氣壓的變化上，如圖10所示。通過對(duì)圖10中離子電流峰值與氣壓的關(guān)系擬合得到離子電流峰值與氣壓近似為冪函數(shù)關(guān)系，驗(yàn)證了理論分析中兩者的冪函數(shù)關(guān)系。這一結(jié)論也已得到相關(guān)文獻(xiàn)［17，20］的一致認(rèn)同。

圖10 離子電流峰值與電荷隨氣壓的變化Fig．10Ion peak current and charge vary with pressure

在真空間隙固定條件下、施加的磁場(chǎng)和電場(chǎng)一致時(shí)，Penning磁控放電離子電流的脈沖寬度固定，離子電荷隨離子電流峰值呈線性關(guān)系，即磁控放電離子電荷與氣壓為冪函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)論

論文在基于Penning磁控放電法的基礎(chǔ)上，采用倍壓充電電壓模式提供磁場(chǎng)激勵(lì)電流，采用升壓時(shí)間和升壓速度可控的高頻變壓模式提供直流偏磁電壓，研究了短真空間隙Penning磁控放電的離子電流特性及其影響因素。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，離子電流波形在10－4Pa數(shù)量級(jí)時(shí)為三角波;隨氣壓的增加逐漸由三角波向方波轉(zhuǎn)換;在滿足著火條件下，離子電流峰值只受電場(chǎng)的影響，離子電流脈沖寬度只受磁場(chǎng)的影響;磁控放電下離子電流峰值與氣壓呈冪函數(shù)關(guān)系。

［1］Lafferty J M．Triggered vacuum gaps［J］．Proceedings of the IEEE，1966，54(1):23-32．

［2］Boxman R L．Triggering mechanisms in triggered vacuum gaps［J］．IEEE Transactions on Electron Devices，1977，24(2):122-128．

［3］Raju G R G，Hackam R，Benson F A．Time-delay to firing of a triggered vacuum gap with barium titanate in trigger gap［J］．Proceedings of the Institution of ElectricalEngineers，1977，124(9):828-832．

［4］Green A J，Christopoulos C．Plasma buidup and breakdown delay in a triggered vacuum gap［J］．IEEE Transactions on Plasma Science，1979，7(2):111-115．

［5］Shang W，Damstra G C．The properties of triggered vacuum gaps［J］．IEEE Transactions on Electrical Insulation，1993，28(4):650-656．

［6］Alferov D F，Sidorov V A．Modernized triggered vacuum discharge switch with a six-gap rod electrode system［J］．Instruments and Experimental Techniques，1996，39 (3):390-395．

［7］Yao X L，Chen J L，Sun W．A high-voltage and highcurrent triggered vacuum switch［J］．IEEE Transactions on Plasma Science，2010，38(10):2901-2905．

［8］Zhou Z Y，Dai L，Nan J，et al．Operational characteristics of a surface breakdown triggered vacuum switch with six gap rod electrode system［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2011，18(4): 997-1002．

［9］Frontzek F R，Konig D．Measurement of emission currents immediately after arc polishing of contacts［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1993，28(4):700-705．

［10］Zhao Z，Jiang X，Jin Z．Study on internal pressure measurement of vacuum interrupter［A］．19th International Symposium．on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum［C］．Xi’an，China，2000.775-779．

［11］Kong D，Heinemeyer R．Prebreakdown current of vacuum tubes with increased pressure stressed with AC voltage［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1989，24(6):937-941．

［12］Frontzek F R，Konig D，Heinemeyer R．Electrical methods for verifying internal pressure of vacuum interrupters after long-time service［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1993，28(4):635-641．

［13］Merck W F H，Damstra G C，Bouwmeester C E，et al．Methods for estimation of the vacuum status in vacuum circuit breakers［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1999，6(4):400-404．

［14］Walczak K．Method for vacuum state evaluation based on analysis of dynamics of electron emission current and X-radiation in time［A］．The XXth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum［C］．2002.231-234．

［15］金大志，唐平瀛，劉鐵，等(Jin Dazhi，Tang Pingying，Liu Tie，et al．)．潘寧放電在密封電真空器件真空度測(cè)量中的應(yīng)用(Application of Penning discharge in vacuum measuring of sealed vacuum device)［J］．強(qiáng)激光與粒子束(High Power Laser and Particle Beams)，2002，14(3):453-455．

［16］王春宇，金基平(Wang Chunyu，Jin Jiping)．真空滅弧室真空度測(cè)量方法的探討(The vacuum measurement method of vacuum interrupter)［J］．華北電力(North China Electric Power)，2003，67(9):671-673．

［17］金大志，解永蓉，談效華(Jin Dazhi，Xie Yongrong，Tan Xiaohua)．脈沖放電法測(cè)量密封真空管真空度(Measurement of vacuum degree in sealed vacuum tube using pulse discharge)［J］．信息與電子工程(Information and Electronic Engineering)，2006，4(2):149-153．

［18］師哲峰(Shi Zhefeng)．基于脈沖磁控放電法的真空度測(cè)試儀的研制(Development of pulsed magnetron discharge method based on vacuum tester)［D］．西安:西安交通大學(xué)(Xi’an:Xi’an Jiaotong Uinversity)，2007．

［19］駱一萍(Luo Yiping)．ZkD-1型真空度測(cè)試儀的研制(Developed ZkD-1 vacuum degree tester)［D］．西安:西安交通大學(xué)(Xi’an:Xi’an Jiaotong Uinversity)，2004．

［20］程仲元，王瑛(Cheng Zhongyuan，Wang Ying)．滅弧室用磁控真空計(jì)的研究(Study of the magnetron-discharge vacuum gauges for vacuum interrupters)［J］．真空科學(xué)與技術(shù)(Vacuum Science and Technology)，1998，18 (6):465-469．

Characteristics of magnetron discharge in short vacuum gap

HU Shang-mao1，YAO Xue-ling2，CHEN Jing-liang2
(1．Department of High Voltage Technology，Electric Power Research Institute，CSG，Guangzhou 510080，China;2．State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

The existing vacuum meter based on Penning magnetron discharging needs vacuum gap greater than 10mm．An experiment is carried on the ionic current characteristics of magnetron discharge in a short gap of 1－7mm．Experimental results show that，the ionic current waveform is a trapezoidal wave at 10－4Pa rather than a square wave and the ionic current wave shifts from a trapezoidal to a square wave with the pressure increasing．The ionic peak current is only affected by electric field and the ionic current pulse width is only affected by magnetic fields，so that the ionic current charge is affected both by the electric and magnetic fields．The ionic peak current decreases with the vacuum gap increasing between 1mm and 7mm，and the decreasing rate is of 5%，but it changes relatively small in the ionic current charge．Lastly，it presents an exponential function between the changes of vacuum pressure and ionic peak current and charge．

vacuum;pressure;ionic current;magnetron discharge;triggered vacuum switch

TN107

A

1003-3076(2015)08-0044-07

2014-05-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5117713)

胡上茂(1983-)，男，江西籍，工程師，博士，主要研究方向?yàn)橛|發(fā)真空開關(guān)的觸發(fā)特性和機(jī)理的研究、電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)及絕緣配合研究;姚學(xué)玲(1966-)，女，河南籍，教授，博士，主要研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)、高壓大電流脈沖信號(hào)測(cè)量與控制及信息化系統(tǒng)過電壓保護(hù)電器的基礎(chǔ)理論與測(cè)試技術(shù)等。