真空短间隙微弧级联效应观测

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1、第５９卷第４期２０１０年４月物理学报Ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ，２０１０１０００３２９０／２０１０／５９（０４）／２６４００５ＡＣＴＡＰＨＹＳＩＣＡＳＩＮＩＣＡ２０１０Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．真空短间隙微弧级联效应观测曹柱荣丁永坤刘慎业（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，绵阳６２１９００）（２００９年４月２１日收到；２００９年６月２８日收到修改稿）利用０５ｍｍ间隙微通道板成像器观测了微弧放电的斑点级联效应．实验发现，微弧阴极斑点的运动轨迹呈多类型的折线轨迹，斑点间隙在２００—３００μｍ，首发射阴极斑点的放电强度比次级

2、斑点高一个量级以上，而且次级斑点之间的放电强度相对稳定，次级斑点在放电阴极表面无融蚀现象．实验表明，次级斑点产生机制与首发射存在较强的依赖关系．关键词：阴极斑点，微弧级联，微通道板成像器ＰＡＣＣ：５２７０，５２８０Ｖ，７９７０简记为ＩＣＦ）和Ｚ箍缩等离子体诊断研究中有着重１引言要应用的Ｘ射线分幅相机［９，１０］，其基本原理是利用ＭＣＰ成像器实现高时空分辨能力的二维成像，但同真空电弧由于在镀膜、金属除气及大电流开关时可以提供复杂真空环境下真空短间隙的微放电等装置中诱人的应用前景，一直是相关科学工作者过程观测．研究的热点．然而，阴极材料烧蚀问题

3、和电弧不稳本工作基于ＭＣＰ成像器的ＭＣＰ屏间隙开展了定问题长期困扰着人们，阻碍着其进一步广泛应真空微弧研究，利用器件高空间分辨和成像特性细用．研究表明，真空电弧起弧时阴极表面上存在着致观测了微弧斑点的电子光学特性，研究分析了微无规则运动的非常明亮的等离子体区域，即阴极斑弧斑点的级联效应．点，阴极斑点是发射电子、离子、金属蒸气和喷发液滴的中心，对阴极材料的烧蚀和电流的连续性起着２．实验方法［１，２］决定性的作用．目前真空电弧的研究主要集中在阴极斑点行为研究上，主要涉及纯金属阴极材料ＭＣＰ成像器作为真空放电物理研究的一种平的阴极斑点的产生机制、

4、电流密度以及运动机制等台和手段，既是一种高效的起弧装置，也是弧斑电［３—８］［１１］方面．但是真空电弧研究较多集中在超高洁净子发射特性的高分辨二维观测装置．ＭＣＰ成像真空环境下引发的强电流放弧阶段，很少有关于微器为满足高空间分辨的指标，要求ＭＣＰ与屏的紧贴弧放电过程的实验观测．距离尽量小，不同的应用条件对紧贴距离有不同的微弧放电过程具有弱放电电流、多引发因素以设计，在Ｘ射线分幅相机（ｘｒａｙｆｒａｍｉｎｇｃａｍｅｒａ，简及弱融蚀等特点，实验观测比较困难．但微弧放电记为ＸＦＣ）中通常为０５ｍｍ．过程广泛存在于各类真空器件中，是研究真空放电在

5、ＸＦＣ成像器（分幅管）老炼过程中，ＭＣＰ屏物理的基础，同时也是解决真空器件可靠性问题的间隙放电过程主要由表面微尖端引起，放电很不稳关键．在惯性约束聚变等离子体诊断条件下，利用定性，并可能一次性损坏ＭＣＰ和荧光屏．因此本实微通道板（ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｐｌａｔｅ，简记为ＭＣＰ）成像器验采用老炼较好的３＃分幅管，该管在神光Ⅱ实验中进行短间隙微放电过程观测具有特别的优势．如在有３年的服役时间．图１为ＭＣＰ成像器结构原理．激光驱动惯性约束聚变（ｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕｓｉｏｎ，类似平面电极放电装置，ＭＣＰ输出面称为放电的阴

6、国家高技术研究发展计划（批准号：２００６ＡＡ８０４０４３４）资助的课题．Ｅｍａｉｌ：ｃａｏ３３ｊｉｎ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ４期曹柱荣等：真空短间隙微弧级联效应观测２６４１极表面，荧光屏为阳极．ＭＣＰ输出面与荧光屏覆铝生微放电，放电点位置和强度通过可见光ＣＣＤ记膜阳极的间隙ｄ＝０５ｍｍ．在ＸＦＣ应用中，时间分录．ＣＣＤ使用美国普林斯顿公司的ＰＩｓｃｘ：２０８４型相辨能力通过微带型ＭＣＰ成像器输入面的光电子高机，像元尺寸为２４μｍ×２４μｍ，ＣＣＤ阵列为２０８４×速选通实现，ＭＣＰ选通增益电子后在间隙内被加速２０８４．ＸＦＣ时间分辨为

7、１００ｐｓ，ＭＣＰ成像器有效空并轰击荧光屏，最后由可见光电子耦合器件（ＣＣＤ）间分辨为２０线对．实验测试在神光Ⅱ激光打靶条件［１０，１１］－３读出系统记录成像信号．ＭＣＰ屏间隙在高电压下进行，靶室真空度好于１０Ｐａ，屏电压Ｖ＝４５ｐｈ下由于短间隙真空环境和真空表面物理等因素发ｋＶ，ＣＣＤ采集时间均为１０ｓ．图１ＭＣＰ成像器结构原理示意图光屏上无放电点．而利用无油干泵获得的相同真空３实验结果及分析条件下，目前还未观测到类似的微放电现象．说明真空油脂在ＭＣＰ成像器微放电中起主要作用．同时，由于ＭＣＰ为微通道阵列结构，电极表面３１微弧斑点

8、的电子光学观测结构的特点使之可能成为潜在的发射中心．电极表在ＭＣＰ成像器中，微放电现象的出现主要来自面具有几何的微观不均匀性（包括尖锋、金属粒子、ＭＣＰ和屏电极表面