漆亮文 趙崇霄 閆慧杰 王婷婷 任春生

(大連理工大學(xué)物理學(xué)院, 三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大連 116024)

(2018 年 10 月 10 日收到; 2018 年 12 月 15 日收到修改稿)

同軸槍放電可以產(chǎn)生高速度、高密度的等離子體射流, 在天體物理、核物理等研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用. 基于同軸槍放電等離子體運(yùn)動(dòng)的“雪犁模型”分析, 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)等離子體光電信號(hào)和磁信號(hào)的測(cè)量及放電照片的拍攝, 研究了不同放電電流和氣壓對(duì)同軸槍放電等離子體電流片的運(yùn)動(dòng)特性、電流通道分布的影響. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn): 一次放電過(guò)程中, 氣壓為 10 Pa、放電電流為 35.7—69.8 kA 時(shí), 隨著放電電流的增加, 等離子體噴射速度增加, 輸運(yùn)距離與離子攜帶的軸向動(dòng)能成正比, 大電流條件下, 等離子體噴出槍口時(shí)易于在槍底端形成新的電流通道; 氣壓為5—40 Pa、放電電流為49.8 kA時(shí), 隨著氣壓的增加, 等離子體噴射速度減小, 輸運(yùn)距離縮短, 高氣壓下, 等離子體噴出槍口時(shí)在槍底端未產(chǎn)生新的放電通道, 這與放電過(guò)程中遺留在槍底端的帶電粒子和電流片滲漏殘留在槍內(nèi)的中性粒子共同形成的阻抗通道有關(guān); 電流反向時(shí), 二次放電擊穿位置發(fā)生在電極頭部, 放電過(guò)程中存在多次放電現(xiàn)象.

1 引 言

脈沖同軸等離子體槍利用放電過(guò)程中流過(guò)電極間的電流產(chǎn)生的洛倫茲力加速等離子體, 可產(chǎn)生高速度、高溫度、高密度[1?4]的等離子體射流. 在等離子體空間推進(jìn)[5,6]、模擬國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆計(jì)劃(ITER)中邊緣局域模與器壁材料相互作用[7?11]、磁約束聚變裝置中燃料注入[12?14]以及實(shí)驗(yàn)室天體物理研究[15]等方面具有廣泛的應(yīng)用. 工作于“雪犁模型”[16,17]下的同軸槍放電過(guò)程中, 預(yù)先充入腔體的工作氣體在外加電壓下?lián)舸┓烹? 沿電極起始端的絕緣層附近形成一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)的等離子體薄層, 此等離子體薄層連接內(nèi)外電極形成一個(gè)閉合回路. 流過(guò)中心電極的電流在其周?chē)鷷?huì)感應(yīng)出角向磁場(chǎng), 等離子體在洛倫茲力J × B的作用下沿軸向運(yùn)動(dòng),類(lèi)似于掃雪形式推動(dòng)并電離前面的中性氣體, 使得被電離的中性粒子隨等離子體以相同的速度噴出槍口.

同軸槍放電等離子體的應(yīng)用中, 關(guān)于等離子體參數(shù)的測(cè)量是非常重要的研究?jī)?nèi)容. 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心高著秀等[18]采用發(fā)射光譜的多普勒頻移測(cè)量研究了不同放電參數(shù)對(duì)等離子體速度的影響, 結(jié)果表明速度隨充電電壓的增大而增大, 隨氣壓的增大而不斷減小. 大連理工大學(xué)張俊龍等[19]利用光電倍增管直接觀察到了等離子體團(tuán)的blow-by現(xiàn)象, 研究了放電參數(shù)對(duì)等離子體團(tuán)的分離的影響, 指出等離子體團(tuán)的分離程度與槍內(nèi)電流片所受的徑向磁壓梯度大小有關(guān). 西安交通大學(xué)劉帥等[20]利用光電二極管和磁探針研究了近似方波的電流作用下平行軌道加速器內(nèi)等離子體的動(dòng)力學(xué)特性, 通過(guò)沖擊擺測(cè)量了首次等離子體射流的動(dòng)量. 然而, 關(guān)于同軸槍內(nèi)等離子體電流片的運(yùn)動(dòng)特性、電流通道分布特點(diǎn)等國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較少.在國(guó)外, Pert[21]利用磁探針研究了同軸槍內(nèi)電流片前后的電流通道分布, 發(fā)現(xiàn)在放電后期, 絕緣層底板處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的等離子體弧, 形成Crowbar效應(yīng). Crowbar放電不僅能侵蝕電極材料, 使得等離子體品質(zhì)變差, 而且嚴(yán)重影響了緊湊型高密度等離子體的產(chǎn)生. Bruzzone 和 Martínez[22]在研究電流片的演化過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了放電過(guò)程中電極末端附著部分的放電電流存在電流停滯現(xiàn)象, 并通過(guò)等離子體電阻曲線的分析發(fā)現(xiàn)在電流片后面存在的渦流效應(yīng). Al-Hawat[23]和 Chow 等[24]在關(guān)于高密度等離子體聚焦的研究中選擇中心電極為陽(yáng)極, 由于槍內(nèi)角向磁場(chǎng)與半徑成反比, 等離子體會(huì)在磁壓較小的陰極區(qū)域堆積, 造成等離子體質(zhì)量損失, 使得實(shí)驗(yàn)速度與雪犁模型下的理論值存在偏差. 基于目前的研究分析, 以往的諸多實(shí)驗(yàn)主要研究特定放電條件下槍內(nèi)電流通道的分布演化特點(diǎn), 而在同軸槍的實(shí)際應(yīng)用中, 噴射出的等離子體特性及其輸運(yùn)是主要關(guān)注的對(duì)象.

考慮同軸槍內(nèi)角向磁場(chǎng)分布不均勻的情況, 本實(shí)驗(yàn)利用負(fù)脈沖高壓放電, 由于放電過(guò)程中離子流向內(nèi)電極運(yùn)動(dòng)增大其表面的摩擦阻力, 使得電極間隙內(nèi)的等離子體在不同徑向位置所受的磁壓力不均勻性效應(yīng)減小, 其運(yùn)動(dòng)過(guò)程更適合使用“雪犁模型”描述. 因此, 預(yù)填充模式下負(fù)脈沖放電更容易產(chǎn)生高速度、高密度等離子體射流. 然而, 在負(fù)脈沖放電條件下, 針對(duì)如何獲得緊湊高密度的等離子體噴射, 避免放電過(guò)程中二次擊穿造成的等離子體形貌變化、質(zhì)量損失等研究相對(duì)較少, 電流通道分布特性與放電參數(shù)間的關(guān)系尚不明確. 本文利用磁探針研究同軸槍放電過(guò)程中的電流通道的分布特性, 同時(shí)測(cè)量了等離子體光電流信號(hào)及回路電流、電壓信號(hào), 研究了不同放電參數(shù)(放電電流與工作氣壓)對(duì)等離子體運(yùn)動(dòng)特性的影響.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置與光電信號(hào)測(cè)量原理如圖1所示, 放電裝置主要由同軸放電槍、供電系統(tǒng)、輸運(yùn)通道、真空系統(tǒng)四部分組成. 其中同軸槍由實(shí)心圓柱內(nèi)電極和空心圓柱外電極組成, 內(nèi)電極由直徑50 mm、長(zhǎng)245 mm的黃銅材料構(gòu)成; 外電極內(nèi)徑100 mm,長(zhǎng) 270 mm, 材料為不銹鋼, 加速長(zhǎng)度為 200 mm.內(nèi)外電極間通過(guò)厚20 mm、直徑100 mm的尼龍介質(zhì)絕緣, 電極間隙25 mm. 內(nèi)電極末端有一個(gè)直徑10 mm的通氣孔, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)通氣孔充入Ar氣進(jìn)行放電. 供電系統(tǒng)主要由4個(gè)60 μF電容并聯(lián)的電容組作為放電電源, 電容充電電壓最大為 10 kV, 放電電流最大可達(dá) 100 kA. 輸運(yùn)通道為長(zhǎng) 40 cm、直徑 30 cm 的玻璃直筒, 通過(guò)法蘭連接在放電槍與真空腔室中間, 其主要作用是便于觀察等離子體的輸運(yùn)過(guò)程和光學(xué)診斷. 真空系統(tǒng)由機(jī)械泵、分子泵、復(fù)合真空計(jì)三部分組成, 實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)真空系統(tǒng)維持腔體內(nèi)的氣壓, 本底真空可達(dá)10?3Pa,根據(jù)所需的氣壓充入氬氣.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量原理圖Fig.1. Schematic of experimental setup and diagnosis measurement.

同軸槍外電極接地, 內(nèi)電極接電容器高壓輸出端, 輸出電壓為負(fù)脈沖, 采用Pearson電流探頭和差分探頭分別測(cè)量放電回路電流及槍兩端的電壓.在距離槍底絕緣面Z= 50, 100 mm 處布置兩個(gè)磁探針, 分析槍內(nèi)電流通道分布的變化及等離子體電流片的運(yùn)動(dòng), 磁探針繞制在直徑為5 mm的尼龍骨架上, 線圈為直徑0.3 mm的漆包線, 匝數(shù)為9匝,通過(guò)阻容積分器得到磁場(chǎng)并以電壓信號(hào)輸出, 積分器電容和電阻分別為 1 μF 和 330 ? . 兩個(gè)磁探針插入內(nèi)徑為10 mm的陶瓷管內(nèi), 磁探針中心距離內(nèi)電極20 mm. 兩個(gè)相同型號(hào)的光電探測(cè)器1和2(Thorlabs PDA-10A)分別位于距槍噴口端25和125 mm處, 用于測(cè)量輸運(yùn)過(guò)程中等離子體的發(fā)光信號(hào), 并通過(guò)兩信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間差計(jì)算等離子體噴射速度(L是兩光電探測(cè)器間隔距離, ?t為兩光電流信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間間隔). 等離子體發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)準(zhǔn)直器(Thorlabs F240SMA-A)、光纖進(jìn)入光電探測(cè)器, 并輸出一定的電壓信號(hào). 放電電流、電壓信號(hào)及光電探測(cè)器、磁探針輸出的電壓信號(hào)均通過(guò)一臺(tái)八通道數(shù)字示波器(PicoScope 4828)進(jìn)行記錄分析.

3 結(jié)果與討論

3.1 同軸槍放電特性

同軸槍放電的擊穿過(guò)程發(fā)生在槍起始端兩電極間絕緣層附近的位置, 氣體擊穿后放電電流迅速增加, 流過(guò)等離子體的電流連接內(nèi)外電極形成RLC閉合回路, 等離子體在洛倫茲力J×B作用下沿軸向運(yùn)動(dòng). 電容器充電電壓4 kV、氬氣氣壓10 Pa的放電條件下, 得到電壓、電流及磁場(chǎng)波形如圖2所示. 從圖2可以看出, 氣體擊穿時(shí)電壓迅速降至某非零值后升高, 這與等離子體電感和電阻有關(guān). 等離子體在放電過(guò)程中不斷積累磁能用于等離子體加速, 部分轉(zhuǎn)化為等離子體軸向運(yùn)動(dòng)動(dòng)能,同時(shí)由于帶電粒子與中性分子碰撞沖擊中將部分磁能轉(zhuǎn)化為無(wú)定向熱能. 放電電流增加, 第一個(gè)半周期電流峰值為 39.2 kA, 脈寬為 50μs.

圖2 電容器充電電壓 4 kV、氬氣氣壓 10 Pa 的放電條件下電壓、電流及磁場(chǎng)波形Fig.2. Waveforms of voltage, current and magnetic field on discharge condition that the charge voltage of capacitor is 4 kV, and the Ar gas pressure is 10 Pa.

觀察第一個(gè)半周期內(nèi)不同位置處的磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)現(xiàn), 氣體擊穿后等離子體是以電流片的形式向前運(yùn)動(dòng). 等離子體電流片未經(jīng)過(guò)磁探針時(shí), 輸出電壓幅值為零, 當(dāng)?shù)入x子體運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁探針后, 由通過(guò)中心電極的電流產(chǎn)生的方位角磁場(chǎng)穿過(guò)探針時(shí)引起磁通變化, 輸出一定的電壓信號(hào), 幅值與放電電流大小成正比關(guān)系. 等離子體電流片經(jīng)過(guò)Z= 100 mm處的磁探針后, 兩磁信號(hào)同步并隨電流幅值而變化, 電流片攜帶全部的放電電流, 這些現(xiàn)象均符合“雪犁模型”. 第一個(gè)半周期放電結(jié)束到電流反向后的 1 5μs 時(shí)間內(nèi), 磁探針一直有磁信號(hào)輸出, 并隨著電流幅值變化, 這表明二次放電發(fā)生在電極頭部.隨后兩磁信號(hào)出現(xiàn)多次振蕩, 對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)也出現(xiàn)相同頻率的振蕩, 這是由于同軸槍內(nèi)部發(fā)生多次放電現(xiàn)象, 電流通道貫穿于整個(gè)槍內(nèi), 等離子體并不是以單獨(dú)的電流片形式存在, 從Z= 100 mm處的磁場(chǎng)小于Z= 50 mm的磁場(chǎng)信號(hào)也可以證明. 在此過(guò)程中, 各電流通道均在洛倫茲力作用下向前運(yùn)動(dòng), 在放電后期兩磁信號(hào)重合.

等離子體在噴出槍口25 mm和125 mm處的光電流信號(hào)如圖3所示, 光電流信號(hào)具有一定的寬度, 這與放電產(chǎn)生的等離子體的形貌有關(guān). 光電流信號(hào)2強(qiáng)度明顯比光電流信號(hào)1弱, 造成此現(xiàn)象的原因是輸運(yùn)過(guò)程中等離子體能量損耗, 損耗機(jī)制主要包括以下兩種: 1)噴出槍口時(shí)的等離子體具有一定的軸向動(dòng)能, 在輸運(yùn)過(guò)程中不斷與中性粒子發(fā)生碰撞并伴隨著電子與離子間的復(fù)合, 等離子體能量及密度降低, 發(fā)光減弱; 2)等離子體具有較高的溫度, 電子在熱膨脹作用下向輸運(yùn)通道器壁擴(kuò)散,并與器壁復(fù)合損失. 相比于一次放電的光電流信號(hào), 二次放電過(guò)程產(chǎn)生的等離子體光電流強(qiáng)度很弱. 這是由于一次放電過(guò)程中等離子體電流片幾乎掃過(guò)了所有的中性氣體, 電極通道內(nèi)殘留的中性粒子數(shù)很少, 產(chǎn)生的等離子體密度較低, 發(fā)光減弱.此外, 根據(jù)圖2的分析, 低密度的等離子體不能承載大電流時(shí)會(huì)存在多次放電現(xiàn)象, 每個(gè)電流通道都

圖3 等離子體在噴出槍口 25 和 125 mm 處電壓、電流及光電流波形Fig.3. Waveforms of voltage, current and photocurrent of the plasma when it jets 25 and 125 mm from the gun nozzle.

有分流作用, 稀薄的等離子體所受洛倫茲力減小,使其遺留在槍內(nèi)并未噴出.

3.2 二次擊穿現(xiàn)象

一次放電過(guò)程中, 當(dāng)電容器電壓施加在同軸槍電極兩端時(shí), 擊穿過(guò)程發(fā)生在絕緣層表面. 擊穿瞬間等離子體壓力大于初始時(shí)刻電流片后面的磁壓力, 使得等離子體電流片加速運(yùn)動(dòng)之前, 部分帶電粒子已沉積在絕緣層附近, 電流片傾向于依附在絕緣層表面[25]. 此后, 電流片在掃除中性氣體的過(guò)程中由于滲漏導(dǎo)致的部分中性粒子也存在于槍內(nèi). 放電后期由遺留在電流片之后的帶電粒子碰撞電離部分殘余的中性分子形成一種低阻抗路徑[21], 產(chǎn)生新的電流通道. 圖4為放電電流69.8 kA、氣壓為10 Pa條件下的電壓、電流及磁場(chǎng)波形. 可明顯看出, 在放電后期, 電壓波形和磁場(chǎng)波形均出現(xiàn)了一次振蕩, 其幅值均先減小后增加. 氣體擊穿后槍兩端的電壓由以下公式?jīng)Q定:

式中I為放電回路電流是由槍電感引起的電壓降,RI是槍內(nèi)等離子體電阻引起的電壓降. 這表明在電流的第一個(gè)半周期內(nèi)存在二次擊穿. 等離子體電流片運(yùn)動(dòng)至槍口噴出后, 放電通道維持在電極頭部. 然而, 遺留在槍底的帶電粒子在電場(chǎng)作用下碰撞電離滲漏的中性分子, 使其再次擊穿. 此時(shí),槍內(nèi)存在兩個(gè)電流通道, 新電流通道的形成使得同軸槍內(nèi)部阻抗突然減小, 電壓會(huì)先減小后增加, 與初始?xì)怏w擊穿特性一致. 同時(shí), 新電流通道的出現(xiàn)會(huì)攜帶部分放電電流, 使得流經(jīng)磁探針位置處的電流有所減小, 磁場(chǎng)信號(hào)也隨之減弱, 出現(xiàn)振蕩.

圖4 放電電流 69.8 kA、氣壓為 10 Pa 條件下電壓、電流及磁場(chǎng)波形Fig.4. Oscillogram of the voltage, current and magnetic probe signals recorded at Z = 100 mm on condition that the discharge current is 69.8 kV, and the Ar gas pressure is 10 Pa.

3.3 電流對(duì)放電過(guò)程及等離子體運(yùn)動(dòng)的影響

為研究放電電流對(duì)等離子體運(yùn)動(dòng)的影響, 將腔室氣壓恒定為10 Pa, 磁探針距離槍底絕緣面Z=100 mm, 光電探測(cè)器 1 離槍噴口 25 mm. 選擇放電電壓為 3.5, 4, 6, 7 kV, 對(duì)應(yīng)得到如圖 5 所示的電壓電流、磁場(chǎng)及光電流波形. 從圖5可以發(fā)現(xiàn),隨著放電電壓的增大, 第一個(gè)半周期電流峰值呈線性增加, 電流脈寬保持為50 μs . 從光電流信號(hào)1隨電流的變化可以明顯看出: 隨著放電電流的增加, 光電流信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間t1向前移動(dòng). 光電探測(cè)器與Pearson電流探頭響應(yīng)時(shí)間延遲為400 ns, 這表明等離子體在槍內(nèi)的加速時(shí)間隨電流的增加逐漸縮短, 與等離子體電流片運(yùn)動(dòng)速度成反比. 對(duì)比圖 5(a)—(d)發(fā)現(xiàn), 隨著放電電流的增加, 同軸槍兩端的電壓幅值明顯增加. 這是由于等離子體橫切角向磁場(chǎng)時(shí)正負(fù)電荷分離引起的, 可類(lèi)比于“霍爾效應(yīng)”, 其電壓幅值與等離子體電流片運(yùn)動(dòng)速度和角向磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān). 放電電流增大會(huì)使得角向磁場(chǎng)增強(qiáng), 等離子體在掃雪過(guò)程中速度也隨之增加,“霍爾效應(yīng)”明顯增強(qiáng).

觀察圖5中磁場(chǎng)信號(hào)與電壓信號(hào)發(fā)現(xiàn), 隨著放電電流的增大, 等離子體在噴出槍口時(shí)容易在槍底部形成新的電流通道. 由于放電過(guò)程中電壓幅值是 146—543 V, 不足以使得絕緣材料發(fā)生擊穿. 所以此電流通道的產(chǎn)生是遺留在電流片之后帶電粒子與中性分子形成的低阻抗路徑下的電流重新分布. 電流較小時(shí), 等離子體以整團(tuán)的形貌噴出槍口,而大電流條件下, 噴出的等離子體是尖銳的峰值后拖著較大的尾流. 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是: 隨著放電電流的增大, 等離子體密度和溫度增加[26], 等離子體壓力不斷增大. 在氣體擊穿的初始時(shí)刻, 放電電流產(chǎn)生的磁壓力較等離子壓力小, 等離子體在擊穿后以電流片的形式迅速?lài)姵? 遺留在絕緣層附近的帶電粒子數(shù)增多. 等離子體電流片噴出槍口時(shí),遺留在槍底的帶電粒子與殘余的中性分子碰撞電離導(dǎo)致二次擊穿, 攜帶部分放電電流.

預(yù)填充模式下同軸槍放電等離子體理論速度可依據(jù)雪犁模型計(jì)算, 根據(jù)動(dòng)量守恒定律:

圖5 同軸槍在氣壓為 10 Pa, 電壓分別為 (a) 3.5, (b) 4, (c) 6, (d) 7 kV 放電條件下的電壓、電流、磁場(chǎng)及光電流波形Fig.5. Waveforms of voltage, current, magnetic field and photocurrent for coaxial gun discharge at the pressure 10 Pa with different voltage (a) 3.5, (b) 4, (c) 6, (d) 7 kV.

利用等離子體噴出槍口的時(shí)間t1計(jì)算得到不同放電電流下等離子體噴射速度的理論值, 等離子體實(shí)驗(yàn)速度為兩光電探測(cè)器間的距離與光電流信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間間隔的比值. 氣壓為10 Pa時(shí)不同放電電流下等離子體理論速度與實(shí)驗(yàn)速度對(duì)比如圖6所示. 隨著放電電流的增大, 等離子體在槍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的軸向磁壓力增加, 等離子體運(yùn)動(dòng)速度加快, 速度變化值為 8.2—17.1 km/s. 然而, 等離子體速度的實(shí)驗(yàn)值大于理論值, 并且隨著放電電流的增大, 實(shí)驗(yàn)與理論偏差值增大. 這與電流片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中掃過(guò)的粒子數(shù)有關(guān). 依據(jù)圖5分析, 氣體擊穿瞬間產(chǎn)生的等離子體壓力較起始電流產(chǎn)生的磁壓力大, 使得部分帶電粒子遺留在槍底絕緣層附近, 所以電流片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所掃除的等離子體質(zhì)

圖6 氣壓為 10 Pa 時(shí)不同放電電流下等離子體理論速度與實(shí)驗(yàn)速度對(duì)比Fig.6. Theoretical and experimental velocity of the plasma versus current at a pressure of 10 Pa.

量小于理論計(jì)算值, 等離子體實(shí)驗(yàn)速度較大. 此外,隨著放電電流的增大, 放電瞬間遺留在槍底的帶電粒子數(shù)增多, 電流片所攜帶的等離子體質(zhì)量減少,其實(shí)驗(yàn)速度與理論值偏差也增大.

圖7 同軸槍在氣壓 10 Pa、電流 I = 39.2 和 69.8 kA 條件下的放電照片F(xiàn)ig.7. Photographs for coaxial gun discharge with the pressure of 10 Pa at different current I = 39.2, 69.8 kA.

實(shí)驗(yàn)中同軸槍放電第一個(gè)半周期電流脈寬為50μs,等離子體噴射速度 6.4—17.1 km/s, 而在輸運(yùn)過(guò)程中, 隨著與中性分子間碰撞電離并拖拽其一起運(yùn)動(dòng), 等離子體會(huì)一直減速, 在40 cm長(zhǎng)的輸運(yùn)通道內(nèi)存在時(shí)間至少約為 23.4— 6 2.5μs.因此, 為了獲得放電過(guò)程中輸運(yùn)通道內(nèi)等離子體形貌并測(cè)量其輸運(yùn)距離, 需調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光時(shí)間為1 s, 圖7是Nikon相機(jī)拍攝的不同放電電流下的等離子體輸運(yùn)照片. 從圖7明顯看出, 等離子體輸運(yùn)距離隨放電電流的增大而增長(zhǎng), 這是因?yàn)橹行詺怏w在等離子體輸運(yùn)過(guò)程中起阻礙作用, 并在碰撞過(guò)程中消耗等離子體能量. 等離子體中的帶電粒子在槍內(nèi)做E×B漂移運(yùn)動(dòng), 電子和離子以相同的速度噴出槍口.由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子質(zhì)量, 等離子體軸向輸運(yùn)距離的長(zhǎng)短主要取決于離子動(dòng)能的大小. 氣壓為10 Pa、電流為 39.2 和 69.8 kA 時(shí)計(jì)算得到 Ar+軸向動(dòng)能分別為 19.93, 59.94 eV, 大于 Ar原子第一電離能15.76 eV. 帶電粒子在輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)不斷碰撞電離中性分子直至復(fù)合損失完全, 其輸運(yùn)距離與Ar+攜帶動(dòng)能成正比.

3.4 氣壓對(duì)放電過(guò)程及等離子體運(yùn)動(dòng)的影響

為研究氣壓對(duì)等離子體運(yùn)動(dòng)的影響, 保持放電電流 49.8 kA, 工作氣壓為 5, 10, 25, 40 Pa, 得到如圖8所示的電壓電流、磁場(chǎng)及光電流波形. 對(duì)比圖8(a)—(d)可以發(fā)現(xiàn), 由于放電過(guò)程中等離子體被完全電離, 相比于放電回路的電阻與電感, 等離子體電阻和電感值分別為 m ? 和nH量級(jí)[27], 對(duì)放電回路的影響很小, 因此放電電流峰值和脈寬不隨氣壓發(fā)生變化. 然而, 隨著氣壓的增大, 兩電極間的電壓幅值不斷減小, 這是由等離子體電流片運(yùn)動(dòng)速度和角向磁場(chǎng)強(qiáng)度決定的. 盡管放電電流一定時(shí), 角向磁場(chǎng)強(qiáng)度不變, 但隨著氣壓的增大, 等離子體速度不斷減小, 導(dǎo)致霍爾效應(yīng)引起的電壓值隨之減小.

圖8 同軸槍在電流 49.8 kA, 氣壓分別為 (a) 5, (b) 10, (c) 25, (d) 40 Pa 放電條件下的電壓、電流、磁場(chǎng)及光電流波形Fig.8. Waveforms of voltage, current, magnetic field and photocurrent for coaxial gun discharge at the current 49.8 kA with different pressure (a) 5, (b) 10, (c) 25, (d) 40 Pa.

從圖8磁場(chǎng)信號(hào)及電壓信號(hào)可以看出, 隨著工作氣壓的增大, 電流前半周期內(nèi)存在的二次擊穿現(xiàn)象明顯消除, 在槍底端未產(chǎn)生新的電流通道. 氣壓為 40 Pa 時(shí), 其磁場(chǎng)與電壓信號(hào)均未出現(xiàn)振蕩, 等離子體以整團(tuán)的形式噴出槍口. 在氣體放電過(guò)程中, 電子碰撞是氣體中帶電粒子產(chǎn)生的主要途徑.隨著氣壓的增大, 滲漏過(guò)電流片的中性粒子增多,遺留在槍內(nèi)的帶電粒子與中性粒子的碰撞頻率增加, 這使得帶電粒子在一個(gè)平均自由程內(nèi)不能獲得足夠的能量電離中性分子, 同軸槍內(nèi)部阻抗增大,抑制了二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生, 在放電后期并未形成新的電流通道.

放電電流為49.8 kA時(shí), 不同氣壓下等離子體噴射速度與理論值的對(duì)比如圖9所示. 隨著氣壓的增大, 等離子體速度不斷減小, 實(shí)驗(yàn)與理論速度偏差值隨氣壓的增大而增加, 理論值為實(shí)驗(yàn)速度的64%—95%. 這是因?yàn)榈入x子體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷碰撞電離中性氣體, 將動(dòng)量傳遞給被電離的中性粒子并拖拽其向前運(yùn)動(dòng). 根據(jù)動(dòng)量守恒定律, 被拖拽粒子的動(dòng)量與等離子所減少的動(dòng)量相等. 相同放電電流下, 隨著氣壓的增大, 中性粒子數(shù)密度不斷增加, 等離子體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中拖拽該部分中性粒子所消耗的動(dòng)量增加, 等離子體運(yùn)動(dòng)速度減慢. 然而,隨著氣壓的增加, 使得電流片在槍內(nèi)掃雪過(guò)程中電離更多的中性粒子變得困難. 由于滲漏導(dǎo)致的遺留在槍內(nèi)的中性粒子數(shù)增多, 掃雪過(guò)程不夠完全, 噴出的等離子體質(zhì)量與槍內(nèi)中性氣體質(zhì)量偏差值增大, 所以速度理論值較實(shí)驗(yàn)測(cè)量值偏小, 且偏差值隨之增大.

圖10是電流為 39.2 kA、氣壓 10和 30 Pa下的同軸槍放電等離子體輸運(yùn)照片. 可以看出, 氣壓為 10 Pa 時(shí), 等離子體輸運(yùn)距離約為 40 cm, 隨著氣壓的增大, 等離子體輸運(yùn)距離不斷減小, 氣壓為30 Pa 時(shí)輸運(yùn)距離縮短為 20 cm. 這是因?yàn)樵谳斶\(yùn)過(guò)程中等離子體與中性粒子的碰撞頻率增加, 等離

圖9 電流為 49.8 kA, 不同氣壓下等離子體理論速度與實(shí)驗(yàn)速度對(duì)比Fig.9. Theoretical and experimental velocity of the plasma versus pressure at the discharge current of 49.8 kA.

圖10 同軸槍在電流 39.2 kA、氣壓 P = 10 和 30 Pa 條件下的放電照片F(xiàn)ig.10. Photographs for coaxial gun discharge with the current of 39.2 kA at different pressures P = 10, 30 Pa.

子體能量耗散速率加快, 傳輸距離會(huì)迅速減小. 隨著氣壓的增加, 等離子體噴射速度減小, 氣壓為30 Pa時(shí) Ar+動(dòng)能為 6.05 eV, 小于 Ar的第一電離能, 然而等離子體在與中性分子碰撞后會(huì)拖拽其向前運(yùn)動(dòng), 其電子和離子間的復(fù)合損失過(guò)程需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間, 當(dāng)Ar+動(dòng)能較小時(shí)也會(huì)輸運(yùn)一段距離, 其輸運(yùn)機(jī)制還需做進(jìn)一步仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)放電回路的電信號(hào)和等離子體磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量, 研究了不同放電電流和氣壓對(duì)同軸槍放電等離子體電流片的運(yùn)動(dòng)特性、電流通道分布的影響, 并通過(guò)光電探測(cè)器及放電照片的拍攝, 分析了不同放電電流和氣壓下的等離子體輸運(yùn)特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn): 1)放電電流反向時(shí), 二次放電擊穿位置發(fā)生在電極頭部, 放電過(guò)程中存在多次放電現(xiàn)象, 影響等離子體噴出槍口; 2)同軸槍兩端的電壓變化是由于等離子體橫切角向磁場(chǎng)時(shí)正負(fù)電荷分離引起的, 可類(lèi)比于“霍爾效應(yīng)”, 與槍內(nèi)角向磁場(chǎng)強(qiáng)度和等離子體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān); 3)一次放電過(guò)程中, 等離子體運(yùn)動(dòng)速度隨電流的增大而增大, 輸運(yùn)距離不斷增加. 在大電流條件下, 等離子體壓力增大, 使得遺留在絕緣層附近的帶電粒子增多, 等離子體在噴出槍口時(shí)易于在槍底部形成新的電流通道. 隨著氣壓的增加, 等離子體運(yùn)動(dòng)速度減慢, 輸運(yùn)距離不斷減小. 高氣壓下, 由電流片滲漏導(dǎo)致殘留在槍內(nèi)的中性粒子數(shù)增多, 抑制了放電過(guò)程中在槍底端產(chǎn)生新的電流通道. 該實(shí)驗(yàn)結(jié)合同軸槍內(nèi)外等離子體運(yùn)動(dòng)特性的分析, 從合理匹配放電參數(shù)的角度出發(fā), 為避免放電過(guò)程中存在的二次擊穿問(wèn)題提供了一定的參考依據(jù).