曲型電極在弱導電環(huán)境下的電場引發(fā)機理研究摘要

原文對照作為電介質(zhì)的基本性能，電介質(zhì)的擊穿性能描述了電介質(zhì)在施加電場的條件下所能保持絕緣正常工作的閾值。絕緣損壞是電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障最常見的原因之一在，因此就多數(shù)情況來講，絕緣能否正常工作對電氣設(shè)備能否正常工作起決定性的作用。近年來高壓技術(shù)已不限于電力工業(yè)的需要，還擴展應用到許多科技領(lǐng)域中，并有很多高場強絕緣的問題。由于這些情況，研究電介質(zhì)擊穿機理、影響因素、不同介質(zhì)的耐電強度等是十分必要的。本文以血栓作為電介質(zhì)，在其兩端使用曲型電極施加脈沖電場，進行電擊穿，對血栓進行溶栓處理。脈沖電場是近年來結(jié)合了醫(yī)學、電學等領(lǐng)域?qū)ρㄟM行治療的新方法，但目前對脈沖電場治療血栓的報道較少；研究對象主要為白血病和結(jié)腸癌等，病種較局限。本文以曲型電極組為研究對象，以電極錐頭曲率和間隔距離為變量因素，建立了多種不同的電極曲率半徑模型的曲型電極組模型，使用Comsol仿真軟件，施加脈沖電壓，曲型電極錐面、環(huán)氧樹脂絕緣中的電場強度以及血液、栓塞的電場強度及溫度場進行仿真分析，并對其內(nèi)部的帶電粒子進行追蹤。結(jié)果表明：…………本文運用SolidWorks軟件對曲型電極模型的復雜部分進行了構(gòu)建，然后使用Livelinks模塊將參數(shù)化模型導入Comsol，再對其及血栓進行仿真。本文首先分析了電介質(zhì)的放電擊穿理論，為電脈沖擊穿血栓提供理論依據(jù)，使用Comsol仿真軟件分析了電脈沖擊穿血栓放電過程的電氣參數(shù)變化特征，提出了一種新的溶栓方式。關(guān)鍵詞脈沖放電；電擊穿；溶栓；仿真；StudyonElectricFieldInitiationMechanismofCurvedElectrodeinWeakConductiveEnvironmentAbstractAsthebasicperformanceofdielectrics,thebreakdownperformanceofdielectricsdescribesthethresholdthatdielectricscanmaintainthenormaloperationofinsulationunderappliedelectricfield.Insulationdamageisoneofthemostcommonreasonsforpowersystemfaults.Therefore,inmostcases,whethertheinsulationcanworkproperlyplaysadecisiveroleinthenormaloperationofelectricalequipment.Inrecentyears,highvoltagetechnologyisnotlimitedtotheneedsofthepowerindustry,butalsoextendedtomanyscientificandtechnologicalfields,andtherearemanyproblemsofhighfieldstrengthinsulation.Becauseoftheseconditions,itisnecessarytostudythedielectricbreakdownmechanism,influencingfactors,andtheelectricalresistanceofdifferentmedia.Inthispaper,thrombuswasusedasthedielectric,andapulseelectricfieldwasappliedatbothendsofthethrombususingacurvedelectrodeforelectricalbreakdownandthrombolytictreatmentofthethrombus.Pulsedelectricfieldisanewmethodforthetreatmentofthrombosisinrecentyears,whichcombinesmedicalandelectricalfields.However,therearefewreportsonthetreatmentofthrombosisbypulseelectricfield.Theresearchobjectsaremainlyleukemiaandcoloncancer,andthediseasesarelimited.Inthispaper,thecurvedelectrodegroupistakenastheresearchobject,andthecurvatureoftheelectrodeconeandtheintervaldistancearetakenasvariables.Avarietyofcurvedelectrodegroupmodelswithdifferentelectrodecurvatureradiusmodelsareestablished.The Comsolsimulationsoftwareisusedtosimulateandanalyzetheelectricfieldintensityintheconicalsurfaceofthecurvedelectrodeandtheinsulationoftheepoxyresin,andtheelectricfieldintensityandtemperaturefieldofthebloodandtheembolism,andthechargedparticlesinsidearetracked.Theresultsshowthat:......Inthispaper,SolidWorkssoftwareisusedtoconstructthecomplexpartofthecurvedelectrodemodel,andthentheLivelinksmoduleisusedtoimporttheparameterizedmodelintoComsol,andthenthethrombosisissimulated.Thispaperfirstanalyzesthedielectricdischargebreakdowntheory,whichprovidesatheoreticalbasisforelectricalpulsebreakdownofthrombosis.TheComsolsimulationsoftwareisusedtoanalyzethevariationcharacteristicsofelectricalparametersinthedischargeprocessofelectricalpulsebreakdownofthrombosis,andanewthrombolysismethodisproposed.Keywords：pulsedischarge;Electricalbreakdown.;Thrombolysis.;Simulation;目錄曲型電極在弱導電環(huán)境下的電場引發(fā)機理研究I摘要IStudyonElectricFieldInitiationMechanismofCurvedElectrodeinWeakConductiveEnvironmentIIAbstractII目錄IV第1章緒論11.1選題的背景與目的11.2國內(nèi)外電極研究的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1電極的優(yōu)化設(shè)計理論11.2.2電極的參數(shù)化模型建立21.2.3電極的幾何參數(shù)對各項性能的影響21.3本文研究的主要內(nèi)容3第2章電勢電場和擊穿理論分析42.1電極表面曲率和電場強度的關(guān)系42.2介質(zhì)的電勢電場42.2.1電介質(zhì)內(nèi)電勢與電場強度的關(guān)系42.2.2導體與電介質(zhì)間的邊界條件42.3介質(zhì)擊穿理論分析52.3.1氣體擊穿52.3.2液體擊穿532.3.3固體擊穿62.4本章小結(jié)7第3章曲型電極模型的建立83.1有限元簡介83.2軟件平臺簡介93.3曲型電極模型的建立過程103.3.1曲型電極模型的建立103.3.2定義材料屬性123.3.3設(shè)置網(wǎng)格和求解設(shè)置143.3.4后處理和可視化153.4本章小結(jié)15第4章曲型電極的場強仿真及帶電粒子追蹤164.1曲率對曲型電極納秒脈沖下電場分布的影響164.2曲型電極帶電粒子追蹤164.2.1帶電粒子追蹤模塊簡介164.2.2簡化模型174.2.3參數(shù)設(shè)置174.2.4帶電粒子追蹤仿真結(jié)果17結(jié)論18致謝20參考文獻21附錄23第1章緒論1.1選題的背景與目的電極是產(chǎn)生磁場和電場的關(guān)鍵部件，應用于多種科學領(lǐng)域中，近年來擴展應用到各種新型領(lǐng)域方面。對于不同的電力設(shè)備，電極的形狀也多有不同，常見的典型電極有球型電極、針-板電極、柱狀電極等。根據(jù)應用的場合來講，需要不同的形狀的電極產(chǎn)生各樣的電勢分布。由于電極形狀對于電勢分布有很大的影響，對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來講，其電場的分析越來越重要，并同時引出了產(chǎn)品優(yōu)化問題。因此，根據(jù)一個確定的電場來計算電極的幾何參數(shù)是一個復雜的問題。想要盡可能地電壓電器內(nèi)部的優(yōu)化電場的分布和空間使用率，就需要對電極的幾何參數(shù)進行深度的調(diào)整[1]。根據(jù)工作內(nèi)容、環(huán)境的需要，可以根據(jù)需求來設(shè)計電極的大小、形狀以及材料等。本論文是將電極應用在血管環(huán)境內(nèi)，將電極的兩端施加在血栓中間，釋放納秒級脈沖，將血栓作為電介質(zhì)進行擊穿，提出了一種新型的溶栓方式。血液梗阻作為高發(fā)疾病之一成為了關(guān)系我國人民健康的龐大項目。就小而簡單的血栓，多使用化學溶栓治療的手段，但就復雜的血栓來講，傳統(tǒng)的治療效果不大，并發(fā)癥多，怎樣使清除率提高、創(chuàng)傷小的血栓治療方式已成為關(guān)注的焦點。1.2國內(nèi)外電極研究的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1電極的優(yōu)化設(shè)計理論對電極進行優(yōu)化可以最大限度地提高電場分布的均勻度和絕緣空間的利用率。目前電氣設(shè)備的額定電壓不斷提高，對電極進行優(yōu)化可以使電氣設(shè)備運行穩(wěn)定。HSinger提出了有關(guān)優(yōu)化電極幾何參數(shù)以及電介質(zhì)邊緣的方法。他提供了基于電場場強值和曲率之間關(guān)系的公式，使電極邊緣的位移量可以由計算線性方程組求得，后又經(jīng)過Gronewald優(yōu)化[2]。據(jù)此對電極形狀逐次修正以達到電極表面的電場分布滿足要求。DMetz提出了一個全新的電極幾何參數(shù)優(yōu)化運算的方法：優(yōu)化電荷法——把優(yōu)化區(qū)域的電極使用優(yōu)化電荷來進行仿真。[1]唐耀宗等人對HSinger的電極形狀優(yōu)化方法進一步簡便，提高了計算的準確度、運算速度，發(fā)表了更簡便的的迭代算法，降低了計算的誤差，使優(yōu)化結(jié)果能夠達到給定的任意精度。費增堯、周佩白等人提出了優(yōu)化模擬電荷法和增量方程，使電極表面的電場強度按照給定的目標強度來分布，可以實現(xiàn)具有均勻場分布的電極設(shè)計。張守義、廖兵等人提出了一種電極幾何參數(shù)優(yōu)化的新方法，該方法將優(yōu)化負載功率及4位置參數(shù)與交替修正法和Fletcher模擬的負載優(yōu)化方法相結(jié)合，這種方法具有更好的收斂性，通過簡單地矯正負載的位置來優(yōu)化電極，這減少了對電極初始幾何參數(shù)和模擬負載的初始參數(shù)的要求。避免了由于通過簡單的載荷矯正法固定載荷位置而導致的優(yōu)化失敗的問題。使用這種方法進行優(yōu)化，可以使電極表面的電場得到有效的降低[3]。1.2.2電極的參數(shù)化模型建立科學技術(shù)的進步與微機的快速普遍將有限元法和計算機相結(jié)合起來，給予了有限元法更強大的運算能力，使電極的優(yōu)化的陣地轉(zhuǎn)移到了計算機上。張守義、廖兵等人使用計算機輔助設(shè)計提出用優(yōu)化模擬電荷法結(jié)合優(yōu)化增量方程，通過輪流更改優(yōu)化負載的值和位移參數(shù)來優(yōu)化電極的幾何參數(shù)，并且分析了電極原始幾何參數(shù)、簡化負載的原始參數(shù)等對電極電場優(yōu)化的意義[4]。得到電極原始的幾何參數(shù)及完善負載電量初始狀態(tài)的選擇，將會對種種改進算法的約束性能和改進結(jié)果產(chǎn)生影響。對約束性來說，僅更改負載的位置參數(shù)所產(chǎn)生的效果更大。萬連茂、劉建波等人將電極的靜電場進行仿真，運用有限元法，將連續(xù)的域分割為多個收斂、并且按照規(guī)律相連的單位，用各個單位的代數(shù)方程組將整個求解部分的方程替代，使用數(shù)值運算解出代數(shù)方程組，算出每個點的電勢值。利用ANSYS波前法運算，對電極進行優(yōu)化。減少了設(shè)備的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本、提升產(chǎn)品品質(zhì)，為以后的設(shè)計開發(fā)提供先例[5]。金彩善等對電極進行了參數(shù)化建模，并使用該模組施加220V電場進行仿真，當電場不符合設(shè)計要求時對電極的幾何參數(shù)進行修改，并重新進行電場仿真，直到滿足要求為止[6]。1.2.3電極的幾何參數(shù)對各項性能的影響電極的幾何參數(shù)對電極的各項性能有很大的影響，應用在不同領(lǐng)域的電極需要特定的幾何形狀，往往細微的參數(shù)差異也會對實際的效果產(chǎn)生很大的影響。段浩、房建峰等人提出不同的電極幾何狀態(tài)下對火焰的傳播也會產(chǎn)生作用，使用Maxwell軟件對各種的電極結(jié)構(gòu)在電極施加負載后產(chǎn)生的電場分布進行了仿真，得到結(jié)論距離中心較近時網(wǎng)狀電極下電場強度最大，柱狀電極其次，點電極最小，隨著距離的增加，點電極的電場強度迅速增加，在距離為20mm左右時超過了柱狀電極，在距離為25mm時幾乎與網(wǎng)狀電極相等[7]。張新國等認為在對電場仿真求解電場分布時，為了簡便模型以便于建模和計算，不可忽視電極的幾何參數(shù)對電場強度產(chǎn)生的作用，得出電極的幾何參數(shù)的下降會提升電極外表的接觸電阻，它是模型和設(shè)計步驟中要考慮的主要原因[8]。剖析了現(xiàn)在有的電極電場模組，使用工具作用于不同大小的電極的仿真和比較，并討論了幾何參數(shù)對電極電場強度的作用。認為不僅是電極電流和距離，對電極來說，作為因變量的半徑比寬度產(chǎn)生的作用更強。由于寬度的提高，減少了單位區(qū)域的電流密度，但寬度對整個電場的計算作用不大。但隨著半徑的增長，距離減少，下半部分變化不大，電場幅值隨距離的減少而成指數(shù)倍提高。李春茂等人探究了不同的電極間隔下表面介質(zhì)阻擋放電的特性[9]，計算了電極縫隙對放電體延長的作用，繪制了電流的波形圖，分析了功耗隨電極間縫隙的關(guān)系圖。通過對電介質(zhì)表面體溫分布的拍攝，探討了刻度分布隨縫隙的變化規(guī)律。最后，從宏觀角度得出結(jié)論：固定的激發(fā)電壓和電極縫隙的變化會導致電極之間的電場強度和空氣的變化。當兩個電極間的縫隙很小時，縫隙會抑制電場的分布，放電體也會受到抑制，因此小縫隙中的放電體延長很小，此時的電場強度仍然可以滿足放電需求，因此縫隙的擴大有助于形成更長、更多的放電路徑，促進了等離子體放電，并在一定程度上擴展了放電體區(qū)域，此時電場強度很難維系放電體放電，因此絲狀放電只在少數(shù)區(qū)域進行。隨著電極縫隙的不斷增大，空氣更加遏抑放電，放電區(qū)域幾乎消失。1.3本文研究的主要內(nèi)容通過研究以上的文獻資料，發(fā)現(xiàn)目前對電極的研究主要是在電場的計算、幾何模型的優(yōu)化以及幾何參數(shù)對實際應用產(chǎn)生的影響方面。本文的研究主要以曲型電極作為研究對象。通過設(shè)計優(yōu)化使電場達到預計的目標強度，因此本文從以下幾個方面進行研究：（1）構(gòu)建曲型電極模型。本文以曲型電極為研究對象，在SolidWorks軟件中對曲型電極復雜的模型部分進行構(gòu)建，通過COMSOL軟件進行二次的模型構(gòu)建并對材質(zhì)參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格生成和后處理完成了曲型電極模型的數(shù)值模擬。（2）研究了曲型電極尖端曲率對于電場分布的作用。模擬了多種曲率的曲型電極的模型，施加脈沖脈沖電壓對曲型電極以及其環(huán)境的電勢電場強度進行仿真計算，同時也進行了帶電粒子追蹤。第2章電勢電場和擊穿理論分析2.1電極表面曲率和電場強度的關(guān)系根據(jù)靜電場的基本原理結(jié)合Spielrein的研究得到表面曲率C與電場強度E之間的關(guān)系式[10]（2-1）：5（2-1）其中 為電場強度沿電極邊界法線方向?qū)?shù)；E是電場強度；C是電極邊界的平均曲率。（2-2）先由式（2-1）對E求導，再以增量 和 代替相應的微分得：（2-3）由式（2-3）根據(jù)電場強度的偏差 ，確定需要的曲率該變量 ，然后根據(jù) 修改電極邊界，以達到給定的電場強度分布。2.2介質(zhì)的電勢電場2.2.1電介質(zhì)內(nèi)電勢與電場強度的關(guān)系用矢量積分算子表示的高斯定理[11]：（2-4）電勢（V）與場強（E）之間的關(guān)系：（2-5）若求得了電勢的梯度，就能夠求解此處的電場強度。將上式代入式（2-4）中，得到泊松方程：（2-6）當

時，得拉普拉斯方程：（2-7）由式（2-6）式（2-7）可知，由確定電荷密度分布可以算出電勢的分布，進一步算出電場強度。2.2.2導體與電介質(zhì)間的邊界條件在金屬中，自由的載荷總是傾向于導體的表面，因此能夠認為導體表面有面電荷。將面電荷密度設(shè)為 ，根據(jù)麥克斯韋方程可推出[12]：（2-8）（2-9）其中： —分界面法線單位矢量，方向由導體指向電介質(zhì)。D—電位移矢量，2.3介質(zhì)擊穿理論分析2.3.1氣體擊穿

。氣體介質(zhì)擊穿和很多的因素有關(guān)，其中最主要影響因素包括作用電壓的性質(zhì)、電極的形狀、氣體的性質(zhì)和狀態(tài)等等。氣體介質(zhì)最常見擊穿形式有：直流電壓的擊穿、工頻電壓的擊穿、沖擊電壓的擊穿、高氣壓的擊穿、高真空電的擊穿、負電性氣體的擊穿。氣體的擊穿過程一般采用是湯遜氣體放電理論與流注理論來分析，前者是適用于氣壓比較低、pd值比較小條件下進行的放電試驗，在此為基礎(chǔ)建立理論；后者是適用于pd比較大的場合，比如電氣工程方面。在沖擊電壓作用下的氣體擊穿大多具有隨機分散性，多取50%概率值。沖擊電壓的擊穿和實驗裝置電壓的極性和電極的形狀有關(guān)。電極的表面電壓強度和其表面的電荷密度成正比，電極的尖端或者不規(guī)則邊緣的部分曲率半徑較小，表面電荷的密度大，電力線比較密集，場強較大，容易發(fā)生局部放電，將其稱為尖端效應或者邊緣效應。工程上常常需改善電極的形狀，尤其是電極邊緣的部分形狀，會避免出現(xiàn)電極的表面曲率過大或者出現(xiàn)十分尖銳的邊緣。從出現(xiàn)有效的電子，引發(fā)強烈電離的過程開始，直到最終擊穿通道的完全形成，此時還需要一段時間，將該時間段稱為擊穿時延，它具有統(tǒng)計性。沖擊電壓的擊穿時刻是可以出現(xiàn)在波前或者波尾的某時刻，具體情況通常視電壓的高低而定。電壓值越高，相應的擊穿時延就越短[13]。6工程上經(jīng)常采用的間隙擊穿電壓的最大值與放電時間的關(guān)系表征于沖擊電壓作用下的間隙擊穿特性，稱之為伏秒特性。伏秒特性的形狀是由電極間的電場分布決定的，反應了電場不均勻的程度，是工程上經(jīng)常使用作為判斷設(shè)備絕緣的沖擊電壓擊穿最重要的方法。2.3.2液體擊穿隨著高壓電的技術(shù)發(fā)展，人們對液體的擊穿開展了不少研究，純凈的液體介質(zhì)擊穿理論主要是有：電擊穿理論與氣泡的擊穿理論兩大種類。前者是液體形態(tài)分子因電子碰撞電離作為理論前提；后者是以液體形態(tài)分子碰撞電離或者在場外電場的作用下液體產(chǎn)生了氣泡，最終因氣泡內(nèi)的氣體放電而引起液體的擊穿。1）電擊穿理論：強電場的作用下從陰極發(fā)出產(chǎn)生的電子經(jīng)過電場的加速，和液體分子產(chǎn)生了碰撞，引發(fā)了液體分子電離，產(chǎn)生了更多的電子從而使電子數(shù)目成倍增加，同時由于碰撞電離而產(chǎn)生正離子在陰極的附近形成了空間電荷層從而增強陰極表面的電場強度使得陰極發(fā)射出更多的電子。當外加的電場達到了一定強度時，電流從而急劇增加，造成液體擊穿[13]。2）氣泡擊穿理論：對液體形態(tài)的介質(zhì)施加一定的電場，液體形態(tài)介質(zhì)內(nèi)可能會因為如下原因產(chǎn)生氣泡：1）陰極的強電場發(fā)出的電子形成了電流的加熱液體，使得其分解而產(chǎn)生氣泡。2）經(jīng)過電場加速的電子因碰撞了液體分子，使它解離產(chǎn)生了氣泡。3）靜電的排斥作用，克服了液體表面的張力，使電極表面的氣泡變大。4）電極尖端的電暈放電引起了液體氣化。電離的氣泡于電場中積累形成了氣體“小橋”，在電場的作用下，此刻擊穿就可能在這個通道中產(chǎn)生。但是工程上一般會難得到十分純凈的液體，并且在電力設(shè)備制造的過程中難免會導致一些新的雜質(zhì)混入，工程中的液體擊穿通常會采用“小橋理論”來解釋[14]。如圖2.1所示：（a）形成雜質(zhì)“小橋”（b）形成氣體“小橋”圖3-1液體介質(zhì)擊穿示意圖混合有雜質(zhì)（纖維）的液體中，因為雜質(zhì)較純凈液體的介電常數(shù)通常較大，使它容易極化因而沿電場的方向而定向排列。如果定向排列的纖維穿過在高低電極中間形成的液體中水分汽化或氣泡變大；如果定向排列的纖維沒能穿過電極兩端，那么因纖維的介電常數(shù)比較大使得纖維端部油中的場強較高，強場的強作用下使得液體電離分解出了氣體產(chǎn)生了氣泡，氣泡進一步的電離，發(fā)熱而引起氣泡的擴大，最終導致電離的氣泡形成了氣體的“小橋”（圖3-1b）。因此工程上的液體電介質(zhì)的擊穿最終通常發(fā)生在氣體通道中。2.3.3固體擊穿固體介質(zhì)的擊穿通常分為：熱擊穿、電擊穿還有電化學擊穿等形式。固體介質(zhì)的擊穿場強和相應的電壓作用時間關(guān)系如下圖3-2：7圖3-2固體介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間固體介質(zhì)在擊穿后無法自恢復，由上圖可見，固體介質(zhì)熱擊穿和電化學擊穿的過程是有較長時間的產(chǎn)熱發(fā)熱、劣化—損傷等一系列最終導致介質(zhì)擊穿，擊穿時間在數(shù)微秒至數(shù)百秒或更長[13]。電擊穿包含：內(nèi)部擊穿與流注擊穿，內(nèi)部的擊穿是因為介質(zhì)內(nèi)電子于外電場的作用下吸收了足夠的能量，電子穿過禁帶進入導帶從而擊穿，時間通常在

量級；流注擊穿的機理和氣體流注放電相似，介質(zhì)內(nèi)部的帶電粒子于外加電場的作用下加速與晶格節(jié)點上的原子產(chǎn)生碰撞，使它電離，引發(fā)了電子崩，當電子崩足夠強時；

，（ 是電離系數(shù)，表征一個電子沿著電場方向行經(jīng)1cm長度平均發(fā)生碰撞電離次數(shù)，即：1個電子在單位行程內(nèi)新電離出的電子或離子數(shù)；d為行程）引起固體介質(zhì)擊穿。固體介質(zhì)電擊穿的特點是：電壓作用時間短，擊穿電壓高；固體介質(zhì)的擊穿場強與電場均勻程度密切相關(guān)。2.4本章小結(jié)本章介紹了電極表面曲率和電場強度的關(guān)系，高斯方程、拉普拉斯方程、泊松方程等電勢、電場分析所涉及的基礎(chǔ)理論，概述了氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)電介質(zhì)的擊穿機理。第3章曲型電極模型的建立在1960年左右有限元法的概念就被大量使用于電場分析與計算，它經(jīng)常被用來解決對數(shù)和邊值問題。就大多數(shù)的結(jié)果來看，模擬仿真部分設(shè)置的網(wǎng)格越細化，單元的數(shù)目越龐大，計算結(jié)果越準確。COMSOLMulti-physics是幾乎可以應用在各個領(lǐng)域的仿真程序，它其中內(nèi)置了非常全面的模組開發(fā)功能以及各類第三方建模軟件的接口，使用十分便捷。3.1有限元簡介簡單來說，使用無限多邊形來近似求解圓形的面積就是有限元的思想，歷經(jīng)了50多年的變革，現(xiàn)代有限元結(jié)構(gòu)簡單、元素與元素之間互相作用，稱其為單元，將龐大的有限元數(shù)量直到無限接近所求解的問題。有限元法由于其擁有的實用性、便捷性和實用性等的長處而和其他的方法相比較有很大的不同?？茖W技術(shù)的進步與微機的快速普遍將有限元法和計算機相結(jié)合起來，給予了有限元法更強大的運算能力，除了把有限元法運用在航天領(lǐng)域，目前大部分的現(xiàn)代科技研究的各個領(lǐng)域都能觀察到它的存在，成為了一種成熟且不可替代的計算分析手段?，F(xiàn)實的科學技術(shù)研究中，研究的方向大多繁雜，含有大量的影響因素。含有繁多的非線性計算和連續(xù)場的求解等一系列困難，而且所運算的區(qū)域也都是不規(guī)律的，常用的解析運算難以得到所分析算式的準確解，并且常用的計算方法誤差非常大。有限元法運用簡單的運算方式來替換比較難以解決的問題，不規(guī)律區(qū)域被無限大規(guī)則的區(qū)域所代換，解非線性方程被替代為解線性方程，把連續(xù)的場處理成離散的小單元，每個單元從節(jié)點聯(lián)系。隨后選擇近似的函數(shù)作為假設(shè)，將此作為基礎(chǔ)以節(jié)點的數(shù)量為依據(jù)來選定一系列的插值函數(shù)，這個插值函數(shù)可以把某個基函數(shù)用所需的插值表示。各個單元的函數(shù)用不確定的場在此節(jié)點的值和它相應的數(shù)值來表征，每一個單元用確定的函數(shù)逼近并代入進對應的積分方程中求解，將以上作為理論，綜合計算上述求解的有限元方程，其方程組就能反映出整個所求解的問題。由于每個單元一般都會和多個系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，就會出現(xiàn)一整片區(qū)域的節(jié)點都是同一個方程組，求該點的值時，使用該點的狀態(tài)方程替換這一區(qū)域的方程組。對于不同的角度來說，所采取的的有限元的分析方法也是有差異的：它能從物理角度來運算，也能夠運用數(shù)學方法來求解；它能夠模擬不同領(lǐng)域的各種仿真，應用于曲型電極，它可以用來研究其電場與溫度場的仿真，也能把電場與熱場迭代進行計算；由于計算機技術(shù)不斷革新，有限元法也更加便捷，分析的步驟更加簡便、結(jié)果更加準確。3.2軟件平臺簡介SolidWorks是美國達索系統(tǒng)的分公司SolidWorks公司在Windows平臺上開發(fā)的設(shè)計軟件，該軟件可以很方便的繪制三維零件圖、設(shè)計裝配圖和畫工程圖。SolidWorks除了擁有其強大的建模功能外，還可以運用其插件進行Motion運動仿真和Simulation分析。其中Motion運動仿真可以模擬零件或裝配運動的過程，而Simulation實際上就是SolidWorks中的一個有限元分析模塊。SolidWorks在設(shè)計零件時，只需要繪制零件的形狀，就可以通過參數(shù)對零件進行全方面的控制。[15]。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。它不僅提供了強大的功能屬性，而且對每個工程師和設(shè)計者來說，其操作都簡單方便、易學易用。同時該軟件也具有良好的開放性和兼容性，可以與其他專業(yè)軟件進行無縫兼容，為進行二次開發(fā)提供了技術(shù)支持。在實際工作中使用，可以極大的方便用戶，8縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高企業(yè)運營效率。良好的性能優(yōu)勢使其在三維設(shè)計領(lǐng)域的應用逐步加深，較為完善的二次開發(fā)接口也給設(shè)計人員提供了極大的便利。COMSOLMulti-physics具有強大的數(shù)值計算功能，是一款功能全面、應用廣泛的仿真軟件，因而可以滿足不同領(lǐng)域科學研究以及工程計算的需要。因此也被稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。有限元的分析基礎(chǔ)可以提高計算高效性，多場問題的求解可由強大的物理場耦合分析功能來輕松解決，使用者便可以根據(jù)實際的操作需要，自定義組合所需的偏微分方程組，也可以使用獨立函數(shù)對材料進行定義，從而實現(xiàn)物理場耦合計算分析。COMSOL所自帶的物理場非常豐富，包括AD/AC（AC/ADModule）模塊、聲學（AcousticsModule）模塊以及化學物質(zhì)傳遞（ChemicalEngineeringModule）模塊、電化學以及流體流動和傳熱模塊、光學以及等離子體和射頻模塊、半導體和結(jié)構(gòu)力學模塊、數(shù)學模塊等不同領(lǐng)域的模塊功能。使用者可以根據(jù)需要任意添加物理場；創(chuàng)建幾何方便，comsol具有強大的建模繪圖功能，能夠根據(jù)需要建立一維、二維、二維軸對稱、三維模型。除此之外，還能導入其他軟件如：SolidWorks等的繪圖圖形，支持多國語言，操作方便，使用者能夠根據(jù)用戶手冊或教學視頻進行學習后就能掌握使用。COMSOLMulti-physics由其具有獨特的設(shè)計理念，便可將任意多物理場的直接及雙向?qū)崟r耦合完美實現(xiàn)，由此也在不同仿真領(lǐng)域而被廣泛應用。有限元分析流程圖如圖2-1所示：圖2-1comsol有限元分析流程圖3.3曲型電極模型的建立過程自擬曲型電極及周圍環(huán)境，對曲型電極進行建模。具體操作可以總結(jié)為如下幾步：參照環(huán)境尺寸對曲型電極模型進行建立，設(shè)置電極材料、絕緣層、環(huán)境等材料參數(shù)，設(shè)定邊界條件、外界溫度，對網(wǎng)格進行剖分，并使用comsol軟件求解3.3.1曲型電極模型的建立ComsolMulti-physics有強大的建模功能，可以直接在幾何中構(gòu)建所需要的模型。也可以使用Comsol的多連接接口使用其他繪圖軟件進行對接，首先用SolidWorks對復雜部分進行建模，再使用COMSOL。使用SolidWorks對模型的復雜部分進行構(gòu)建，使用到草圖、掃描、等距曲面和填充等模塊。首先繪出聯(lián)合體A草圖，確定尺寸。如圖2-2所示。圖2-2聯(lián)合體A草圖對草圖進行掃描，設(shè)置掃描后聯(lián)合體A輪廓半徑為30μm，然后對其上半部分插入等距曲面，并對其進行填充，得到聯(lián)合體B如圖2-3所示。SolidWorks建模階段結(jié)束。9圖2-3SolidWorks部分所建模型將模型通過LiveLink:SolidWorks接口導入COMSOL，并進一步建模。下圖2-4為電極組，內(nèi)部為直徑為10um的環(huán)形銀電極，尖端處為高度為7um頂圓半徑為1um的椎體，外覆環(huán)氧樹脂。預在電極末端施加200J的雙向波，在電極尖端處形成集中電場。外覆3um厚的環(huán)氧樹脂與人體表面皮膚形成絕緣。將一個電極經(jīng)過復制，旋轉(zhuǎn)后得到電極組。圖2-4曲型電極組加入環(huán)境后，血管、血栓模型組后模型如圖2-5所示。1-環(huán)氧樹脂絕緣；2-血液；3-血栓；4-銀制金屬電極。圖2-5曲型電極組（加環(huán)境）模型圖3.3.2定義材料屬性（1）材料參數(shù)設(shè)定ComsolMulti-physics中內(nèi)置了材料庫內(nèi)含多種已配置完成的材料屬性，在設(shè)定材料時可以直接從材料庫中查找、選擇想使用的不同狀態(tài)的材料，但材料庫中往往會出現(xiàn)所用的材料參數(shù)不全或沒有想使用的材料的情況，因此需要用戶自行從網(wǎng)絡(luò)、圖書館獲取材料信息，并自行定義材料屬性。表2-1仿真材料的介電常數(shù)材料銀環(huán)氧樹脂血液血栓表2-2材料屬性設(shè)置一覽表屬性電導率材料

相對介電常數(shù)

介電常數(shù)138065密度10

導熱系數(shù)

恒壓熱容銀環(huán)氧樹脂血液血栓（2）邊界條件為了方便用戶建模，ComsolMulti-physics軟件給予用戶可以自設(shè)定的邊界條件。在使用靜電場模塊時，程序會根據(jù)各種公式和物理理論初始定義了域和邊界等等。且會將研究所用到的方程在設(shè)置-方程的界面詳細的提供給用戶。根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，按照如圖2-6（a）和2-6（b）的數(shù)據(jù)，在Comsol軟件全局定義中設(shè)定函數(shù)的解析式，通過創(chuàng)建繪圖可以繪出所加載的脈沖波形，如圖2-6（c）所示。并通過添加“電流（ec）”下的“終端”選項，將脈沖波形2-6（c）加在電極模型上，并將其相反數(shù)加在電極的另一端上。圖2-6（a）電壓參數(shù)定義圖2-6（b）電壓解析式定義11圖2-6（c）電壓波形圖2-6電極加載電壓波形定義3.3.3設(shè)置網(wǎng)格和求解設(shè)置（1）設(shè)置網(wǎng)格軟件內(nèi)置了手動和自動剖分兩種網(wǎng)格剖分模式。自動剖分只需要在模型開發(fā)器中單擊“網(wǎng)絡(luò)”在序列類型中選擇“物理場控制網(wǎng)格”，選擇需要的單元格大小，然后選擇“全部構(gòu)建”，軟件就開始自動對網(wǎng)格進行剖分。若對模型的部分區(qū)域有其他的剖分要求，軟件也提供用戶自定義網(wǎng)格參數(shù)的功能。使用過細化的網(wǎng)格剖分會大大增加求解時間，而使用過粗化的網(wǎng)格剖分又會對求解的精度造成影響，需要根據(jù)設(shè)計需要和課題要求，選擇合適的剖分單元大小。為減少求解時間并保持仿真的精度，本論文的網(wǎng)格剖分的設(shè)置了內(nèi)置的網(wǎng)格中的“超細化”，其最大單元格尺寸為0.035mm，最小單元尺寸為0.0015mm，最大單元增長率為1.35，曲率因子為0.3，狹窄區(qū)域分辨率為0.85，全部區(qū)域構(gòu)建剖分。圖2-7網(wǎng)格化的幾何模型（2）求解設(shè)置ComsolMulti-Physics軟件含有穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等各種研究步驟的求解器，將求解器設(shè)置為為瞬態(tài)求解器，并對求解器時間步等參數(shù)進行合理的配置。本次仿真是…………3.3.4后處理和可視化ComsolMulti-Physics軟件內(nèi)置了功能完善的后處理功能，它擁有十分便捷的UI界面，方便了用戶對仿真結(jié)果進行后處理和圖形化。在模擬施加脈沖經(jīng)電極擊穿血栓時，為了便于觀察電場?？梢栽谀Ｐ烷_發(fā)器中單擊結(jié)果，在設(shè)置中更改各種繪圖設(shè)置，可以自主設(shè)置數(shù)據(jù)采集的時間步、自主定義圖形的標題、選擇合適的圖例顏色、數(shù)字格式，來更加清晰的觀察電勢和電場等的變化情況。后處理和可視化功能可以讓我們更直觀的分析仿真結(jié)果。3.4本章小結(jié)本章節(jié)介紹了有限元的發(fā)展和應用、并介紹了SolidWorks和Comsol兩大軟件仿真平臺，并以曲型電極為例，介紹了SolidWorks和Comsol軟件建模的過程。其中包含曲型電極模型的繪制和導入，設(shè)置各個域的材料屬性，設(shè)置邊界條件，定義函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)剖分和后處理。（1）模型的幾何參數(shù)應該參考實際的參數(shù)，不可隨意設(shè)定。材料參數(shù)需要準確設(shè)定，否則會嚴重影響仿真結(jié)果的準確程度。（2）網(wǎng)格剖分時對電極、栓塞進行細分，而對于血液和護套等部分的剖分單元大小可以選擇“常規(guī)”，這樣可以縮短研究時間，提高設(shè)計效率。第4章曲型電極的場強仿真及帶電粒子追蹤本章為了更好地理解介質(zhì)擊穿的機理，以曲型電極-栓塞-曲型電極為研究對象，數(shù)值模擬了納秒脈沖下栓塞的放電過程，仿真了模型的電場、熱場以及對帶電粒子進行追蹤。通過對數(shù)值分析，可以更好理解電介質(zhì)的放電過12程，加深對電介質(zhì)放電機理的理解。4.1曲率對曲型電極在脈沖下電場分布的影響課題的研究目標是使電場高度集中在血栓部分，將血栓作為電介質(zhì)進行擊穿，根據(jù)設(shè)計要求，選擇電場最為集中的電極模型。4.2曲型電極帶電粒子追蹤4.2.1帶電粒子追蹤模塊簡介粒子追蹤模塊以拉格朗日的形式描述問題，在粒子的釋放和傳播時，應用牛頓的運動定律，求解常微分方程。這個過程需要定義粒子的屬性，其中包括粒子本身所具有的質(zhì)量和由于粒子自身因素所受到的所有的力。通常情況下粒子的作用力一部分為外因，一部分為內(nèi)因，外因來自于外場的作用，內(nèi)因則是由于粒子之間的相互作用。在三位模塊中對于每一個粒子都需要對其位置矢量進行常微分方程的求解，三維中的位置矢量有三個分量，就意味著需要進行三次常微分方程的求解。在每一個時間步長中，都能對在外場作用下粒子所在當前的位置所受到的作用力進行計算。如果在模型中考慮粒子間的相互作用力，同樣需要在模型中引入，并將它們都加入到總力中。在下一個步長更新粒子所在的位置，重復此過程，直到指定的模擬進行的時間結(jié)束。粒子追蹤模塊應用廣泛，可應用于帶電粒子、流體中的粒子、稀疏流、稀物質(zhì)流、分散流、模擬對流和擴散、數(shù)學粒子追蹤。根據(jù)課題需求，對局部放電過程進行模擬，選擇了粒子追蹤模塊去實現(xiàn)該過程，粒子追蹤可以用于二維平面模型以及三維空間模型，求解類型為瞬態(tài)。其可以用于模擬離子和電子的軌跡，并且模塊內(nèi)已經(jīng)預置了一些已經(jīng)定義的電力磁力和彈性碰撞力。當然，也可以用庫侖力模擬粒子與粒子之間的相互作用。4.2.2簡化模型由于復雜的模型通常會延長計算時間或者出現(xiàn)使結(jié)果不收斂的情況，在對模型進行帶電粒子追蹤分析前，首先對電極和環(huán)境模型進行簡化，使仿真結(jié)果仍能保持準確的情況下，運用簡化后的模型如圖4-1進行帶電粒子追蹤。圖4-1簡化后的模型4.2.3網(wǎng)格剖分設(shè)置網(wǎng)格剖分的設(shè)置了內(nèi)置的網(wǎng)格中的“極細化”，其最大單元格尺寸為0.0066m，最小單元尺寸為6.6E-5m，最大單元增長率為1.3，曲率因子為0.2，狹窄區(qū)域分辨率為1，全部區(qū)域構(gòu)建剖分后如圖4-2所示。13圖4-2簡化后的網(wǎng)格幾何模型4.2.4帶電粒子模塊參數(shù)設(shè)置入口特征用來從邊界釋放粒子，在模型開發(fā)器中選擇“帶電粒子追蹤”模塊，首先規(guī)定整個模塊的粒子釋放明細為“指定電流”，然后為粒子添加入口，選擇入口位置為電極表面。對入口的的初始位置進行設(shè)置，“初始位置”設(shè)定為“密度”，將“每次釋放離子數(shù)”設(shè)置為1000，如圖4-3。圖4-3初始位置設(shè)定將初始粒子速度設(shè)置為1E6m/s，方向沿著z軸的正方向。然后為模型添加電場，使模型受電場力，規(guī)定為內(nèi)置電場（es/ccn1）。在“粒子屬性”狀態(tài)中，設(shè)置粒子質(zhì)量為comsol內(nèi)置參數(shù)變量me_const，其意義為電子質(zhì)量，值為9.10938291e-31[kg]。由于研究電子移動軌跡，所以將電荷數(shù)設(shè)置為-1，如圖4-4所示。使用穩(wěn)態(tài)求解器中的“雙向耦合粒子追蹤”對仿真進行求解，將求解器在（0-3.5e-7）s時間段內(nèi)的步長設(shè)置為1.0e-9。144.2.5帶電粒子追蹤仿真結(jié)果結(jié)論xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx宋體小四，外文TimesNewRoman，首行縮進兩字距，單倍行距，正文文本。參考文獻[1]費增堯周佩白.高壓電極的優(yōu)化設(shè)計[D].高壓電器,1987.[2]唐耀宗位志勇.高壓電極的優(yōu)化設(shè)計[D].高電壓技術(shù),1985.[3]張守義廖兵.高壓電極形狀的優(yōu)化設(shè)計[D].浙江大學學報(自然科學版),1991.[4]張守義廖兵.高壓電極形狀的計算機輔助設(shè)計[D].高電壓技術(shù),1990.[5]萬連茂,劉建波.高壓電極電場的數(shù)值模擬[J].兵工自動化,2004(06):31-32.[6]金彩善.基于NX三維軟件電極設(shè)計方法[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2013(12):56-60.[7]段浩,房建峰,孫天旗,劉兵,劉杰,高忠權(quán),吳筱敏.不同電極結(jié)構(gòu)下電場對甲烷/空氣火焰的影響[J].西安交通大學學報,2014,48(09):62-67.[8]張新國,劉忠樂.電極尺寸對環(huán)電極電場的影響分析研究[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護,2012,20(03):7-10.[9]李春茂董磊彭開晟魏文賦高國強吳廣寧.電極間隙對介質(zhì)阻擋放電特性的影響[D].西南交通大學學報,2019.[10]J.Spielrein:”GeometrischeszurelektrischenFestigkeitsrechungII”Arch.E-lektrotech5(1917),S,244-254.[11](日)正田英介.電磁學[M].北京:科學出版社,2001.[12]晁立東,仵杰,王仲奕.工程電磁場基礎(chǔ)[M].陜西:西北工業(yè)大學出版社,2001.[13]嚴樟,朱德恒.高壓電絕緣技術(shù)[M],北京:中國電力出版社,2007:5-6.[14]張帆.基于“小橋理論”的變壓器油擊穿防止措施研究[J].中國科學信息,2012,(18):88.[15]劉小成.基于SolidWorks二次開發(fā)的選煤設(shè)備參數(shù)化設(shè)計研究[D].中國礦業(yè)大學,2018.15161718的電場波形和場峰值的距離特性摘要

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在對球形電極中微隙由ESD引起眾所周知，寬帶電磁噪聲是由ESD(靜電放電)引起的。特別是小于1kV的微間隙ESD產(chǎn)生了數(shù)量級高達GHz帶寬的脈沖電磁噪聲。ESD噪聲對高科技電氣設(shè)備和系統(tǒng)具有威脅。然后，考察ESD引起的脈沖電磁噪聲，以明確輻射機理。本報告采用光學電場傳感器系統(tǒng)和球形電極系統(tǒng)測量電場波形。由此，得出電場波形圖由靜電場向感應場轉(zhuǎn)化，輻射場是由于電極與電場傳感器之間增加一個距離引起的。規(guī)定球形電極對中ESD引起電磁輻射的機理可以認為是與電極元件構(gòu)成的偶極輻射模型。關(guān)鍵詞靜電放電(ESD)；電磁輻射；瞬態(tài)電磁場；光電場傳感器；靜態(tài)場；感應場；輻射場；導言電磁噪聲是由靜電放電(ESD)引起的。ESD產(chǎn)生寬帶電磁噪聲，瞬態(tài)表現(xiàn)出非?？斓纳仙龝r間。特別是小于1kV的微間隙ESD產(chǎn)生了數(shù)量級高達GHz帶寬的脈沖電磁噪聲。ESD噪聲對高科技電氣設(shè)備和系統(tǒng)具有威脅。迄今為止，從電磁兼容(EMC)的角度對ESDs的電磁噪聲進行了更多的研究。ESDs的電磁噪聲特性逐漸變得清晰[1]-[7]。ESD有很多參數(shù)。例如，帶電電壓、瞬變電流、帶電體的表面狀態(tài)、體的接近速度、帶電體周圍的環(huán)境參數(shù)等，它是復雜的現(xiàn)象，是相互聯(lián)系的。然后，考察了ESD的電磁輻射特性與各種參數(shù)之間的關(guān)系。首先證實了電磁輻射強度與電極間電壓梯度成正比。此外，還受到電極表面條件的強烈影響[8][9]。還有，前期研究[10]、[11]明確了電極接近速度對ESD噪聲的影響。當我們研究接近速度時，發(fā)現(xiàn)隨著接近速度的加快，電磁輻射的平均電壓和接收電壓的分散度有增大的趨勢。此外，我們通過最小二乘法[12]的近似，發(fā)現(xiàn)這些變化是對數(shù)變化。ESD引起電磁輻射的機理逐漸被闡明和組織起來。本文考察了一對球形電極中微隙ESD引起的電場波形的距離特性。采用寬帶光電場傳感器系統(tǒng)進行電場測量。此外，為了驗證之前的研究[13]、[14]，對電場波形的峰值進行了檢查。由此，電場波形由靜態(tài)電場轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘妶?，輻射場由電極與電場傳感器之間增加一段距離所引起。規(guī)定球面電極中ESD引起的電磁波輻射模型可以認為是帶有電極元件的偶極子模型。第1章實驗裝置圖1所示為測量球形電極中低壓ESD引起的輻射特性的實驗裝置。該儀器由一對球形電極、高壓直流供電電源(HAMAMATSUC3350,±0-3kV)、30公斤高阻線路、50公斤集總電阻、雙脊波導喇叭天線(ETS3115，1-18GHz)和數(shù)字示波器(TektronixDPO72004B，20GHz，50GS/s)組成。該裝置采用直徑為30mm的球形電極對。其中一個電極設(shè)置在移動臺上，另一個電極設(shè)置在固定臺上。移動臺由STAGE控制器(SIGMAKOKI,步進電機驅(qū)動，SHOT-302GS)控制。本實驗中，球形電極的外加電壓為500V，球形電極的接近速度設(shè)定為5.0mm/s。表面粗糙度由3微米粒度的磨料液體乳膏完成。圖1一對球形電極中微間隙ESD引起電磁輻射的實驗系統(tǒng)20(a)接收波形(正-負)(b)接收波形(負-正)圖2寬帶喇叭天線測量接收電壓的實例波形圖2給出了寬帶喇叭天線和示波器測得的接收電壓的實例波形。在這些圖中改變了施加源極性的方向，圖(a)為正極性到負極性的極性方向，另圖(b)為負極性到正極性的極性方向。通過改變外加電源極性的方向，對接收到的電壓波形進行反轉(zhuǎn)。由此可知,ESD引起的輻射電磁波極化面的存在是可能的。圖3利用光學的電場測量裝置E場傳感器21圖4光電場傳感器天線因子(CS-1210)用標準電場校準法測量圖3給出了利用光學電場傳感器系統(tǒng)(SEIKOHGIKEN：C3-1055,CS-1210，100kHz-10GHz)測量電場波形的實驗裝置。首先,我們測量了如圖4所示的光電場傳感器(CS-1210)作為天線因子的頻率特性。天線因子采用標準電場校準方法，使用TEM池進行測量。天線因子在10kHz~500MHz范圍內(nèi)得到證實，上限頻率受TEM晶胞一個頻率特性的限制。天線因子在100kHz~500MHz頻率范圍內(nèi)一般表現(xiàn)為66dB左右的恒定。同樣,天線因子也得到廠家的確認，在500MHz~10GHz的高頻范圍內(nèi)，天線因子約為66dB。實驗中，由于改變電極上火花點的距離，測量了電場波形的一個距離特性。E場傳感器的測點由極近場和近場向遠場移動。距離x由25mm改為250mm，電場傳感器布置平行于極化平面的輻射場。靜電場、感應場、輻射場等距離改變了電場測量波形。第2章實驗結(jié)果圖5給出了實驗系統(tǒng)測量的電場波形的實驗結(jié)果。圖5中，(a)為距離x=25mm，(b)為x=30mm,(c)為x=70mm，(d)為x=250mm。水平軸分別為400ps/div。垂直軸上的電壓值如圖所示。本實驗采用的光場傳感器在30kHz~10GHz的頻率范圍內(nèi)，天線因子近似恒定在66dB/m左右。利用天線因子將測量電壓轉(zhuǎn)換為電場強度時，電場強度的峰值變?yōu)椋弘妶鰪姸确逯?a)約為4.5kV/m，(b)約為4.5kV/m，(c)約為3.5kV/m,(d)約為1.2kV/m。以下是電場波形的距離特性。在(a)中，靜電場分量占優(yōu)勢，且在與電極非常接近時，觀察到了約4.5kV/m的階躍瞬態(tài)電場波形。進一步可以看出，在距離火花間隙約30mm的電極(b)的近距離范圍內(nèi)，逐漸由電場波形的階梯式轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖瞬態(tài)。在圖5(c)中，觀察到一個單一的脈沖波形，認為這是由于主導的感應場。這個脈沖波形是圖(a)靜態(tài)電場波形的微分分量，即表示電流分量。此外，在圖(d)中可以看出，波形的變化表明遠場中足夠遠處的輻射電場波形。這種輻射場波形是根據(jù)圖(c)中的感應場波形對電流波形進一步微分得到的。從這些電場波形中距離特性的結(jié)果來看，ESD對脈沖電磁場的輻射機理被認為是來自帶有電極元件的偶極子模型的輻射。22圖5光電場傳感器系統(tǒng)測量的電場波形圖6電場的距離與峰值的關(guān)系第3章討論下面討論實測電場波形的峰值。圖6給出了距離與電場峰值的關(guān)系。水平軸是距離球電極對的距離，垂直軸是被測電場的峰值。在這個圖中，實線是Fujiwara的計算[13]中輻射電場的理論值，它是采用了具有火花電阻定律的Rompe-Weizel偶極子模型。虛線是用測量點的圓標記測量電場的峰值。結(jié)果中，計算結(jié)果與測量結(jié)果相差約6dB。但可以證實，測量峰值是根據(jù)距離的倒數(shù)(1/x)作為輻射場的距離特征而減小的。此外，在本文中，輻射場支配感應場的分解距離由下列方程定義:Dx=cτ(1)此處,Dx為距電極的分解距離，c=310^8m/s,τ為火花放電的時間持續(xù)時間。本文采用電極半圓周確定的電流路徑長度的傳播時間[14]，[15]來假設(shè)火花放電的時間持續(xù)時間τ。此處,τ取30mm直徑電極中的157.3ps。則分解距離可計算為Dx=47.2mm。這一計算與測量結(jié)果的輻射場特性開始顯示在圖6中的距離非常吻合。另一方面，對今后靜電場和感應場的水平值還需要驗證。結(jié)論利用光學電場傳感器系統(tǒng)測量了電場波形。由此，我們證實了電場波是由靜電場向感應電場、輻射電場轉(zhuǎn)化的。此外，我們還討論了輻射場占主導地位的分解距離。計算值與測量結(jié)果輻射場特性的距離非常吻合。證實了球面電極對中ESD引起電磁輻射的機理可以認為是由帶有電極元件的偶極子模型產(chǎn)生的輻射。參考文獻[1]M.Honda,”IndirectESDmeasurementusingashortmonopoleantenna”,1990IEEEInt'l.Symp.onElectromagn.Compat.pp.641-645,Aug.1990[2]P.F.WilsonandM.T.Ma,”Fieldradiatedbyelectrostaticdischarges”,IEEETrans.onEMC,EMC-33,no.1,pp.10-18,Feb.1991.[3]D.Pommerenke:ESD,”transientfields,arcsimulationandrisetimelimit”,Journalof23ELECTROSTATICS,vol.36,pp.31-54,1995.[4]S.Ishigami,R.Gokita,Y.Nishiyama,I.YokoshimaandT.Iwasaki,”Measurementsoffasttransientfieldsinthevicinityofshortgapdischarges”,IEICETrans.onCommun.,vol.E78-B,no.2,pp.199-206,Feb.1995.[5]O.Fujiwara,”AnAnalyticalApproachtoModelIndirectEffectCausedbyElectrostaticDischarge”,IEICETrans.onCommun.,vol.E-79-B,no.4,April1996.[6]R.Zaridze,D.Karkashadze,R.G.Djobava,D.Pommerenke,andM.Aida