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4-14 影响真空间隙放电的因素及效果 方仁昌 向伟 唐国云 樊子荣 电真空器件的高压电极同相邻低电压电极间的突发性“火花”或“击穿”现象直接限制了使用。特种电真空器件对体积限制更严格，对可靠性要求更高。靶电压作为阴极，在引发微放电的过程中，微表面状况的影响远远超过电极系统宏观结构尺寸的影响。从位于阴极的点电子发射有效面积上，引发的微发射范围很小（甚至到微米尺度）。 实验指出：在微发射所涉及的部位，虚阴极的出现，进一步繁衍起来的微粒子作用，会使稳定的宏观间隙电场瞬变击穿。研究特种电真空器件的放电击穿过程，可引入半球（阴极)-平板（阳极）真空间隙，相对微发射表面，把低压零件看成一个平板，可作近似程序很高的模拟。在大量实验基础上，就阴极半球面半径及其表面材质和间隙间距对真空间隙放电过程的影响作了研究。 真空间隙的半球面阴极和平板阳极（Φ 48mm×3mm）所用的材料为空熔炼不锈钢（00Cr17Ni14Mo2，以下简称00Cr）。表面清洗和900℃下真空除气。需表面改性的阴极，用离子束辅助沉积法镀膜，厚度要超过高能离子穿透射程、结合力要高；再经真空高温除气。安装在高压真空绝缘实验装置中的真空间隙，加单次脉冲高压，放电电流经过位于低电压端的CT–1高速宽电流探头（5mV/1mA转换比），送至DSA602A数字化分析仪。检测系统具有单次脉冲信号高取样速率，宽显示范围和0.35ns上升沿的不失真捕获能力。在高压端串入无感限流电阻（约7kΩ），击穿脉冲电流最大值实际上受到限制。 毫米量级宽的真空间隙，在单次脉冲高压下，其击穿电压在0.35~0.6mPa内也与气压大小无关，符合参考文献结论。被研究间隙的半球面顶点宏观电场最强。根据测定耐压计算出不同半球面半径和间距及各阴极顶部的轴向电场值。 表 1 阴极面不同材料呈现的间隙耐压值及放电电流主要参数
实验表明，SR1半球阴极是在超过可承受电压（过压）状态下，逐步老炼获得的趋稳耐压值，其余均是在微放电状态下很稳定的最高耐压值。具有相近间距（约7mm）的真空间隙（电极材料均为00Cr），球面半径对稳定耐压值影响不大，尤其是在小间隙下，适当减小球面半径，改善电极表面状态，00Cr得到较高稳定耐压值和弱放电过程是有意义的。对SR1半球面–平板电极间隙，间距约4mm，阴极表面不同材料对间隙耐压的影响见表1。 当x=y=0时，磁场分布为Biw，即在轴线上产生理想的线极化摇摆场。在x≠0、y≠0时，Bsp≠0，即在轴线附近产生标准的六极子磁场，它能为电子束传输提供垂直于线极化磁场方向的聚束，因而此摇摆器具有自聚束能力。而且由于不需波导约束光束，故可降低间隙，减小周期，提高峰值磁场强度，这些都对降低成本和FEL的小型化方面有很大的促进作用。通过建模编程进行计算，与理论推导符合较好。通过实验证实，在符合真空器件实际保持的气压范围内，气压对电极间隙耐压不影响。只要工艺处理得当，高压电极的曲率半径可以适当减小。表面镀覆结合强度高的一些材料的薄膜，可以明显改善真空间隙的耐压能力。后者受材料的综合性能影响。
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