氣體放電參數的測量設備的製作方法

2023-07-14 11:23:11 1

本實用新型涉及低溫超導絕緣領域，具體而言，涉及一種氣體放電參數的測量設備。

背景技術：

超導體具有零電阻特性和完全抗磁特性，在受控核聚變、大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)、超導電力電纜、超導變壓器、超導發電機、超導儲能系統等方面具有極大的發展和應用潛力。

在國際熱核聚變(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)、大型強子對撞機等大型超導裝置中，磁體系統運行在液氦溫度下，必須經受真空、超低溫、強磁場等極端環境的考驗，所承受的磁場和所通過的電流均不得大於其臨界值，否則就會失去超導電性。

當超導體從超導態驟變到常態時會產生大量熱量，液體冷卻劑很容易汽化，形成局部低溫低氣壓環境，在帶電體周圍易發生低溫低氣壓氣體放電，降低絕緣系統的耐受電壓能力，對整個超導裝置安全運行構成威脅。

大型超導裝置中常用的冷卻劑為液氦，而氦氣為單原子結構，比熱容大，具有良好的導熱性能和化學惰性，其電離能較高，電子在幾次彈性碰撞中可積累足夠高的能量，使其在較小電壓時就發生電離。常溫下氣體的擊穿特性符合帕邢定律，實際上氣體處於液氦溫區下，低溫會給氣體本身帶來一系列變化，如在常溫下，湯生理論認為電離截面為常數，但實際上電離截面與基態分子所處的振動能級，即振動能量或振動溫度有關，而振動溫度又幾乎與氣體溫度相等，所以氣體分子的電離截面是氣體溫度的函數，電離截面與電子崩參數α過程密切相關；此外，雖然金屬的費米能級受溫度影響很小，金屬逸出功隨溫度變化不大，但低溫下金屬極易吸附氣體，外來吸附原子對金屬逸出功影響很大，即γ過程受溫度影響較大。可見理論上溫度會明顯影響氣體放電過程，而現有氣體放電理論尚無法定量分析，更無法用常規手段對放電參數進行測量。

目前，可測氣體放電參數的主要有穩態湯生法(Steady State Townsend,SST)和脈衝湯生法(Pulse Townsend，PT)。SST法是通過一束紫外光打在鍍金玻璃上，使其發射初始電子，初始電子在電場的作用下落在平板電極上，在外電路中形成穩定電流， 可通過測量極間電流和極間間距的關係，再通過計算機擬合，得到碰撞電離係數α及吸附係數η。PT法是將一個單脈衝雷射照射在陰極上，陰極將釋放一個單脈衝電子束，初始電子在電場作用下向陽極運動，在外電路中形成暫態電流，通過電流波形便可分析電子崩發展過程，並可求出氣體放電參數。現有的試驗裝置均工作在常溫下，只能測量常溫下氣體放電參數，無法對液氦溫區等低溫區域的氣體放電參數進行測量。

針對相關技術中無法對低溫氣體的放電參數進行測量的技術問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現要素：

本實用新型實施例提供了一種氣體放電參數的測量設備，以至少解決相關技術中無法對低溫氣體的放電參數進行測量的技術問題。

根據本實用新型實施例，提供了一種氣體放電參數的測量設備，該測量設備包括：設備本體和腔體，設備本體形成有容納腔，腔體設置在容納腔內，其中，腔體上開設有第一安裝孔；測量裝置，測量裝置穿過第一安裝孔並部分地設置在腔體內，測量裝置用於測量腔體內的絕緣氣體的放電參數；傳動裝置，傳動裝置與測量裝置連接，傳動裝置用於控制測量裝置的測量位置；二級冷頭和加熱片，二級冷頭安裝在腔體上，並與制冷機連接，加熱片貼在腔體上，二級冷頭和加熱片用於控制腔體內的絕緣氣體的溫度。

進一步地，設備本體和腔體上分別開設有抽氣孔，測量設備還包括與設備本體的抽氣孔連接的第一導氣管和與腔體的抽氣孔連接的第二導氣管，其中，設備本體通過第一導氣管與抽氣裝置連接，腔體通過第二導氣管與抽氣裝置連接。

進一步地，腔體上還開設有充氣孔，測量設備還包括與腔體的充氣孔連接的第三導氣管，其中，腔體通過第三導氣管與充氣裝置連接。

進一步地，測量裝置包括：第一電極，第一電極固定在腔體的內壁上；第二電極，第二電極與第一電極相對設置，第二電極上開設有第二安裝孔；固定組件，固定組件穿過第一安裝孔，且固定組件的第一端與第二電極連接，固定組件的第二端與傳動裝置連接；控制電路，控制電路分別與第一電極和第二電極連接，控制電路用於控制測量裝置的啟停；供電組件，供電組件的第一端與第一電極連接，供電組件的第二端與第一電源連接；鍍金玻璃塊，鍍金玻璃塊固定在第二安裝孔內。

進一步地，第一安裝孔具有安裝部，固定組件包括：波紋管，波紋管的第一端安裝在第一安裝孔的安裝部上，波紋管的第二端與傳動裝置固定連接，其中，波紋管與第一安裝孔連通；操作管，操作管穿過波紋管和第一安裝孔，且操作管的第一端與傳 動裝置固定連接，操作管的第二端安裝在第二安裝孔內，操作管包括第一段、第二段以及第三段，用於連接第一段和第三段的第二段採用陶瓷材料。

進一步地，控制電路包括：繼電器，繼電器的第一端與第二電極連接；開關，開關的第一端與繼電器的第二端連接；第二電源，第二電源的正極與開關的第二端連接，電源的負極與第一電極連接。

進一步地，設備本體上開設有第三安裝孔，腔體上開設有第四安裝孔，供電組件包括：穿設在第三安裝孔內的第一套管；穿設在第四安裝孔內的第二套管；供電線路，供電線路穿過第一套管和第二套管，且供電線路的第一端與第一電源連接，供電線路的第二端與第一電極連接。

進一步地，測量裝置包括：靜電計，靜電計通過低噪聲三同軸電纜與第二電極連接，用於測取第二電極的電流。

進一步地，傳動裝置包括：驅動板，驅動板與操作管固定連接，驅動板上形成有第五安裝孔，第五安裝孔內固定有藍寶石玻璃，操作管的第一端與藍寶石玻璃抵接；工作檯，固定在驅動板上,其中,紫外光源的紫外光經過光纖、準直鏡、藍寶石玻璃、操作管後到達鍍金玻璃塊；動力部件，動力部件與工作檯連接，動力部件用於驅動第二電極沿操作管的軸向方向移動。

進一步地，設備本體和腔體上分別設置有觀察窗。

在本實用新型實施例中，設備本體形成有容納腔，將腔體設置在設備本體的容納腔內，腔體上開設有第一安裝孔；測量裝置穿過第一安裝孔並部分地設置在腔體內，測量裝置用於測量腔體內的絕緣氣體的放電參數；傳動裝置與測量裝置連接，傳動裝置用於控制測量裝置的測量位置；二級冷頭和加熱片，二級冷頭安裝在腔體上，並與制冷機連接，加熱片貼在腔體上，二級冷頭和加熱片用於控制腔體內的絕緣氣體的溫度，在對絕緣氣體的放電參數進行測量時，通過制冷機降低腔體內絕緣氣體的溫度後再進行測量，從而解決了相關技術中無法對低溫氣體的放電參數進行測量的技術問題，實現了對液氦溫區的氣體的放電參數的測量的技術效果。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1是根據本實用新型實施例的氣體放電參數的測量設備的示意圖；

圖2是根據本實用新型實施例的可選的氣體放電參數的測量設備的示意圖；

圖3是根據本實用新型實施例的可選的傳動裝置的示意圖；

圖4是根據本實用新型實施例的可選的氣體放電參數的測量設備的示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本實用新型保護的範圍。

需要說明的是，本實用新型的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列電子元件或電氣元件的系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些電子元件或電氣元件，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些系統、產品或設備固有的其它電子元件或電氣元件。

針對現有氣體放電參數測量裝置無法測量液氦溫區氣體放電參數的問題，本申請在原有超導絕緣材料電氣特性測試裝置的基礎上，設計了一種可測量低溫氣體放電參數的裝置。

根據本實用新型實施例，提供了一種氣體放電參數的測量設備的實施例，圖1是根據本實用新型實施例的氣體放電參數的測量設備的示意圖，如圖1所示，該測量設備包括：設備本體11、腔體12、測量裝置13、傳動裝置14、二級冷頭15以及加熱片16。

設備本體11和腔體12，設備本體形成有容納腔，腔體設置在容納腔內，其中，腔體上開設有第一安裝孔。

測量裝置13，測量裝置穿過第一安裝孔並部分地設置在腔體內，測量裝置用於測量腔體內的絕緣氣體的放電參數，如碰撞電離係數α、吸附參數η及二次電子發射係數γ等。

傳動裝置14，傳動裝置與測量裝置連接，傳動裝置用於控制測量裝置的測量位置。傳動裝置的主要目的在於通過步進電機帶動上電極(即第二電極)的移動，從而改變電極間距。

二級冷頭15和加熱片16，二級冷頭安裝在腔體上(二級冷頭的一端安裝在設備本體的內壁上，另一端用於安裝腔體，可起到固定腔體的作用)，並與制冷機連接，加熱片貼在腔體上的任意位置，二級冷頭和加熱片用於控制腔體內的絕緣氣體的溫度，在需要降溫時可通過二級冷頭製冷降溫，在需要加熱或者保持氣體的溫度時，可通過加熱片和二級冷頭的配合使用，以保證腔體內的氣體溫度(如保持在6.9K～300K範圍內的任意溫度)。

通過上述實施例，設備本體形成有容納腔，將腔體設置在設備本體的容納腔內，腔體上開設有第一安裝孔；測量裝置穿過第一安裝孔並部分地設置在腔體內，測量裝置用於測量腔體內的絕緣氣體的放電參數；傳動裝置與測量裝置連接，傳動裝置用於控制測量裝置的測量位置；二級冷頭和加熱片，二級冷頭安裝在腔體上，並與制冷機連接，加熱片貼在腔體上，二級冷頭和加熱片用於控制腔體內的絕緣氣體的溫度，在對絕緣氣體的放電參數進行測量時，通過制冷機降低腔體內絕緣氣體的溫度後再進行測量，從而解決了相關技術中無法對低溫氣體的放電參數進行測量的技術問題，實現了對液氦溫區的氣體的放電參數的測量的技術效果。

在上述實施例中，可利用制冷機作為冷源，將腔體內氣體的溫度降至6.9K-300K(K表示開氏溫度的單位)範圍內的任意溫度，從而能夠測量液氦溫區範圍(10K以下)內任意溫度下的氣體放電參數；通過傳動裝置帶動上電極(即測量裝置的第二電極)上下移動，通過編程，可實現低溫下電極間距的自動調整，精度可達0.01mm，利用絕緣板將傳動裝置進行隔離，使步進電機與低溫放電腔體隔絕；紫外光源通過光纖引入真空腔中，光路經準直鏡校準後，透過頂端具有良好透紫外性能和耐低溫性能的藍寶石玻璃，穿過中管(即操作管)照在上電極的鍍金玻璃上，使其發射初始電子。

在上述實施例中，設備本體和腔體上分別開設有抽氣孔，測量設備還包括與設備本體的抽氣孔連接的第一導氣管和與腔體的抽氣孔連接的第二導氣管，如圖2所示，設備本體通過第一導氣管與抽氣裝置20連接，腔體通過第二導氣管與抽氣裝置20連接。

可選地，腔體上還開設有充氣孔，測量設備還包括與腔體的充氣孔連接的第三導氣管，如圖2所示，腔體通過第三導氣管與充氣裝置30連接。

需要說明的是，上述的第一導氣管(也即第一管道)主要給大腔體(即設備本體)抽真空，第二導氣管和第三導氣管可以為同一根導氣管(也即第二管道)，第二管道處有充氣閥門，當充氣閥門開，則與真空泵(即上述的抽氣裝置)相連，小腔體可與大腔體一起抽真空，當充氣閥門關閉時，則內層小腔體與真空泵隔絕，此時與微調閥配合可將第二管道作為充氣管道。另外，還可在大腔體上設置第三管道，作為地線及低 壓信號線的通道。

在上述實施例中，如圖2所示,測量裝置13包括：第一電極131，第一電極固定在腔體的內壁上，並與內腔壁絕緣；第二電極132，第二電極與第一電極相對設置(二者為成對的電極)，第二電極上開設有第二安裝孔；固定組件133，固定組件穿過第一安裝孔，且固定組件的第一端與第二電極連接，固定組件的第二端與傳動裝置連接；控制電路134，控制電路分別與第一電極和第二電極連接，控制電路用於控制測量裝置的啟停；供電組件135，供電組件的第一端與第一電極連接，供電組件的第二端與第一電源S1連接；鍍金玻璃塊136，鍍金玻璃塊固定在第二安裝孔內。

上述的第一安裝孔具有安裝部(如法蘭)，固定組件133包括：波紋管1331，波紋管的第一端安裝在第一安裝孔的安裝部上，波紋管的第二端與傳動裝置固定連接，其中，波紋管與第一安裝孔連通；操作管1332，操作管穿過波紋管和第一安裝孔，且操作管的第一端與傳動裝置固定連接，操作管的第二端保持與第二安裝孔的連通，操作管包括第一段、第二段以及第三段，用於連接第一段和第三段的第二段採用陶瓷材料。操作管又稱中管，其兩端(即第一段和第三段)為金屬，中間(即第二段)為焊接陶瓷，可作為絕緣。

需要說明的是，設備本體上開設有與操作管連通的通孔，通孔上還安裝有波紋管上法蘭，腔體上安裝有腔體上法蘭，波紋管連接腔體上法蘭與波紋管上法蘭，使第二電極可沿垂直方向上下移動，同時將腔體與設備本體隔絕。

可選地，控制電路134包括：繼電器R，繼電器的第一端與第二電極連接；開關K，開關的第一端與繼電器的第二端連接；第二電源S2，第二電源的正極與開關的第二端連接，電源的負極與第一電極連接。

在上述實施例中，設備本體上開設有第三安裝孔，腔體上開設有第四安裝孔，供電組件包括：穿設在第三安裝孔內的第一套管；穿設在第四安裝孔內的第二套管；供電線路，供電線路穿過第一套管和第二套管，且供電線路的第一端與第一電源連接，供電線路的第二端與第一電極連接。

可選地，測量裝置13包括：靜電計137，靜電計與第二電極連接，用於測取第二電極的電流，接靜電計的信號線穿過一個專用管道(即上述的第三管道)後與靜電計相連。

在上述實施例中，如圖2和圖3所示，傳動裝置14包括：驅動板141，驅動板與操作管固定連接，驅動板上形成有第五安裝孔(直徑為15mm)，第五安裝孔內固定有藍寶石玻璃，操作管的第一端與第五安裝孔連通，在使用時，光纖末端與準直鏡相連， 準直鏡放在驅動板中間的藍寶石玻璃上，以射入紫外光，藍寶石玻璃和操作管(直徑為15mm)用於透過紫外光；動力部件142，動力部件與工作檯連接，動力部件用於驅動第二電極沿操作管的軸向方向移動；工作檯143，固定在驅動板上。

上述的第五安裝孔相當於提供了一個觀察窗,相較於普通觀察窗中採用的普通耐低溫玻璃(其僅能透過350nm以上的可見光，不能透過紫外),本申請的觀察窗採用藍寶石玻璃,藍寶石玻璃具有良好的耐低溫性能，可透過波長為254nm以上的光,能夠滿足本申請的測量要求(包括溫度要求和可見光的透射要求)。

上述的動力部件包括控制卡和驅動器138(放在腔體外部)、步進電機1421、聯軸節1422、絲槓1423以及導軌1424。

在工作時，步進電機通過聯軸節帶動絲槓旋轉，絲槓兩邊有兩根導軌，使工作檯只能沿著導軌方向移動，帶有螺母的工作檯沿著導軌上下移動。傳動裝置下端有3cm厚的環氧樹脂絕熱層，將步進電機與低溫上法蘭隔絕。

在調整電極間距時，可啟動電極觸發電路(即控制電路)，在計算機中輸入步進電機旋轉圈數，使上電極緩慢下降；當上下電極觸碰時，繼電器動作，觸發電路中會出現電流信號，該電流信號由靜電計測取，並通過信號轉換傳至計算機，使步進電機立即停止，此時記為零點；將需要調整的電極間隙距離轉化為步進電機旋轉的圈數，輸入相應脈衝個數，步進電機帶動上電極上升至指定位置，完成電極間隙調整。

如圖4所示，觀察窗402由藍寶石玻璃與不鏽鋼焊接而成，能透過波長為200nm以上的光，同時能耐液氦溫區的低溫，紫外光源404的光通過光纖傳至準直鏡401，光路經校準後穿過可透紫外的藍寶石玻璃，操作管與波紋管上法蘭403和第二電極均132垂直，光路可垂直照到上電極的鍍金玻璃136上，使其發射電子。鍍金玻璃面與上電極下表面水平且與電極間隙極小，可確保電極間隙電場的均勻性。

需要說明的是，光路包括紫外光源、光纖、準直鏡、藍寶石玻璃(耐低溫性能好，可透過200nm以上的光)、中管、鍍金藍寶石玻璃(即鍍金玻璃塊，下端鍍有金層)，紫外光透過玻璃照射到金層時發射初始電子，在電場的作用下到達下電極，從而在外電路形成電流。常溫下光路只需石英玻璃即可，但石英玻璃在低溫下易碎，不能承受低溫，故而在低溫下可使用藍寶石玻璃。

可選地，如圖2所示,設備本體設置有觀察窗202，腔體上設置有觀察窗201。

在進行低溫氣體放電參數的測量時，可通過如下方式實現：

(1)抽真空裝置與大腔體(即設備本體)和小腔體(即腔體)連接，同時對二者 抽真空至10-5Pa的數量級；

(2)將小腔體與抽真空裝置隔開，利用充氣裝置衝入適量氣體，如果是測量常溫下氣體放電參數，則進入(4)繼續操作；

(3)測試低溫下氣體放電參數時，利用制冷機對其降溫，二級冷頭通過接觸傳熱將小腔體降至目標溫度；

(4)打開紫外光源，紫外光通過特種光纖傳至準直鏡，再由準直鏡將光路矯正，垂直照到上電極的鍍金玻璃上，使上電極發射初始電子；

(5)電源通過大腔體與小腔體的高壓套管，在900-Rogowski電極兩端施加一定電壓，使金層發射的初始電子沿電場方向移動，最終全部落在電極上，在測量初始電流I0時，一般保持電極間隙d不變，測量不同E/P(E表示電場，P表示小腔體內的氣壓)下的電流Ie(即不同電場和氣壓下的電流),而Ie是I0的倍數，從而可根據測得到Ie間接得到初始電流I0；

(6)在計算機上輸入需要調節電極間距的數值，通過步進電機帶動傳動裝置，使電極間距調至預設值di，測得電流Ii(i＝0,1,2,3…)；

(7)將測得的Ii、di輸入計算機擬合程序(遺傳算法)，算出電子崩的碰撞電離係數α參數、吸附參數η及二次電子發射係數γ等參數。

上述的遺傳算法是一種借鑑生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機全局搜索算法，具有並行隨機自適應尋優的獨特功能,且對模型是否線性、連續、可微等不作限制；也不受優化數目、約束條件的束縛，遺傳算法將「優勝劣汰,適者生存」的生物進化原理引入優化參數形成的編碼串聯群體中,按所選擇的適配值函數，並通過遺傳中的複製、交叉和變異對個體進行篩選,使適配值高的個體被保留下來,組成既繼承了上一代信息又優於上一代的新的群體。這樣周而復始,群體中的適應度不斷提高,直至滿足一定的條件。遺傳算法具有穩定性好、精度高、不依賴於初值，全局最優、可以處理較複雜的非線性問題等諸多優點。

通過上述實施例，解決了現有的測量裝置無法測量低溫環境下氣體放電參數的問題，提供了一種可測量從液氦溫區至常溫範圍內任意溫度下氣體放電參數的裝置。

上述本實用新型實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

在本實用新型的上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。

本實用新型所要保護的測量設備以及構成該測量設備的各個組件都是一種具有確定形狀、構造且佔據一定空間的實體產品。例如，設備本體、腔體、測量裝置、傳動裝置、二級冷頭、加熱片等都是可以獨立運行的、具有具體硬體結構的電子設備、機械設備等。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。