余鑫 漆亮文 趙崇霄 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)

同軸槍脈沖放電產(chǎn)生的等離子體具有高速度、高密度的特點(diǎn), 在核聚變、空間推進(jìn)、天體物理領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值.本文針對(duì)不同放電方式對(duì)等離子體特性的影響進(jìn)行了理論實(shí)驗(yàn)研究, 通過(guò)調(diào)換脈沖電源整流二極管的方向改變充電電流方向?qū)崿F(xiàn)正、負(fù)脈沖放電, 采用光學(xué)、電學(xué)、磁探針等診斷手段, 研究了正、負(fù)脈沖放電產(chǎn)生的等離子體性能; 通過(guò)高速相機(jī)觀察到正脈沖等離子體的分團(tuán)現(xiàn)象, 使用了圖像處理技術(shù), 量化對(duì)比了等離子體發(fā)光強(qiáng)度.結(jié)果表明在相同工作氣壓和放電電壓下, 負(fù)脈沖等離子體擁有更高的密度, 流速稍小但性能趨穩(wěn); 而正脈沖等離子體具有更高的射流速度, 也易產(chǎn)生明顯的分團(tuán)現(xiàn)象, 所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致.

1 引 言

同軸槍脈沖放電產(chǎn)生的等離子體具有高速度高密度的特點(diǎn), 在聚變裝置[1?3]、等離子體空間推進(jìn)[4?7]、磁約束核聚變中的再燃[8,9]、塵埃粒子加速[10?14]、磁約束聚變裝置中燃料注入[15]以及實(shí)驗(yàn)室天體物理研究[16]等方面具有廣泛的應(yīng)用和研究前景.同軸槍脈沖放電最開(kāi)始設(shè)計(jì)用于高溫核聚變研究, 設(shè)計(jì)者為Marshall.槍體結(jié)構(gòu)最初由空心圓柱的外電極和實(shí)心圓柱的內(nèi)電極組成, 由于在放電之前, 腔室中已經(jīng)充入了放電氣體, 因此稱(chēng)其工作模式為預(yù)填充模式, 該模式的運(yùn)行可用“雪犁模型”[17,18]解釋.雪犁模型是指在放電初始階段, 同軸槍底部的絕緣法蘭表面爬電擊穿形成等離子體通道, 放電電流流經(jīng)等離子體連接內(nèi)外電極形成RLC (電阻R、電感L、電容C)閉合回路, 等離子體受到流過(guò)中心電極的感應(yīng)磁場(chǎng)磁壓力J × B的作用向槍口推進(jìn), 被壓縮成一個(gè)薄片環(huán)狀的等離子體, 等離子體薄片也被稱(chēng)為電流片, 并且在向外運(yùn)動(dòng)電離路徑上所有的中性粒子最終噴射出槍口.在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 電流片不能完全電離槍內(nèi)中性氣體, 因此在每個(gè)放電半周期都有等離子體團(tuán)噴出.在同軸槍脈沖放電等離子體實(shí)驗(yàn)中, 有一個(gè)基本問(wèn)題需要解決, 那就是脈沖放電極性的選擇.我們知道, 同軸槍脈沖放電的原理是對(duì)一個(gè)大電容充電,然后在同軸槍中擊穿氣體形成等離子體釋放電流.由于同軸槍內(nèi)外電極是同軸的, 放電特性會(huì)受到電極極性的影響, 特別是對(duì)于關(guān)注第一個(gè)放電半周期的研究者來(lái)說(shuō), 第一個(gè)放電半周期中心電極極性的選擇非常重要, 因此弄清楚在預(yù)填充模式下, 正負(fù)極性對(duì)同軸槍等離子體特性的影響是十分必要的.關(guān)于正負(fù)極性的轉(zhuǎn)換, 是通過(guò)對(duì)充電電源進(jìn)行直流充電的整流電路中二極管的方向調(diào)換來(lái)實(shí)現(xiàn), 對(duì)于正負(fù)脈沖放電, 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)放電半周期內(nèi)電極是正極時(shí), 稱(chēng)之為正脈沖放電.在以往的研究中, Keck[19]實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)正脈沖電流片呈一個(gè)拋物面形, 而負(fù)脈沖電流片更加平整, Fishman和Petschek[20]理論上證明了正脈沖電流片呈拋物面形.Al?Hawat[21]和Chow等[22]在關(guān)于高密度等離子體聚焦的研究中發(fā)現(xiàn)內(nèi)電極為陽(yáng)極時(shí)等離子體在磁壓較小的外電極區(qū)域堆積, 造成實(shí)驗(yàn)速度與雪犁模型的理論速度值存在偏差.Lie等[23]發(fā)現(xiàn)等離子體密度在槍體內(nèi)從陰極到陽(yáng)極逐漸減小, 張俊龍等[24]利用光電探測(cè)器直接觀察到了等離子體分團(tuán)(blow?by)現(xiàn)象.通過(guò)對(duì)正負(fù)脈沖等離子體特性的對(duì)比研究, 形成差異的機(jī)理, 可以更加有選擇性的根據(jù)研究需要, 選擇不同的電極極性, 得到更好的等離子體參數(shù), 更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.因此, 正負(fù)脈沖對(duì)比研究是很必要和很重要的, 也是為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)鋪路的重要研究.本文主要是研究分析正負(fù)脈沖的差異性, 所以實(shí)驗(yàn)部分只采用了比較具有代表性的數(shù)據(jù), 在不同參數(shù)下, 正負(fù)脈沖差異規(guī)律也是一樣的, 同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)診斷部分大都集中在同軸槍的槍口處, 在微秒量級(jí)的時(shí)間尺度里, 等離子體的徑向和軸向輸運(yùn)特性變化不大, 我們認(rèn)為槍口處的等離子體特性仍取決于槍內(nèi)等離子體的特性, 因此, 槍內(nèi)電流片的理論分析結(jié)論, 仍對(duì)槍口處的等離子體有效.基于目前的實(shí)驗(yàn)研究, 通過(guò)兩個(gè)光電探測(cè)器加上準(zhǔn)直器, 收集到垂直于光電探測(cè)器的光電流信號(hào)的時(shí)間差, 利用兩個(gè)光電探測(cè)器的間距, 大致計(jì)算得到等離子體的噴射速度; 同時(shí)利用發(fā)射光譜法測(cè)量等離子體輻射光譜中Hβ譜線的Stark展寬, 通過(guò)展寬計(jì)算得到等離子體的密度; 使用高速相機(jī)拍照觀察正負(fù)脈沖放電等離子體, 觀察到正脈沖分團(tuán)現(xiàn)象,使用圖像處理(RGB分離)[25]高清照相機(jī)拍照片,對(duì)藍(lán)圖中像素矩陣的提取處理, 分析了等離子體發(fā)光強(qiáng)度和輸運(yùn)情況, 以及等離子體核心區(qū)域的分布.

2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示, 通過(guò)真空設(shè)備進(jìn)行抽真空, 再通入工作氣體氬氣, 使用氣體流量計(jì)控制氬氣進(jìn)氣速率, 使得腔內(nèi)氣壓保持穩(wěn)定, 之后通過(guò)對(duì)一個(gè)240 μF的脈沖電源充電到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的電壓, 再觸發(fā)火花開(kāi)關(guān)釋放電流擊穿同軸槍內(nèi)工作氣體氬氣, 在磁壓力作用下, 槍底部產(chǎn)生的電流片快速噴出, 同時(shí)再電離路徑上的工作氣體, 產(chǎn)生高密度高速度的等離子體.外電流回路通過(guò)一個(gè)電流探頭, 探測(cè)回路的電流變化, 同軸槍內(nèi)放置兩個(gè)磁探針, 探測(cè)角向磁場(chǎng)的變化和電流片的運(yùn)動(dòng), 槍體外接一個(gè)長(zhǎng)80 cm, 內(nèi)徑30.7 cm的柱形有機(jī)玻璃輸運(yùn)通道, 用高速相機(jī)和高清照相機(jī)對(duì)準(zhǔn)玻璃通道中心拍照, 光電探測(cè)器(Thorlabs PDA?10A)垂直放在離槍口軸向5和10 cm處觀察噴出來(lái)的等離子體團(tuán)發(fā)光情況, 同時(shí)通過(guò)光譜儀記錄等離子體發(fā)射光譜.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1.Experimental schematic diagram.

實(shí)驗(yàn)同軸槍示意圖如圖2所示, 是一個(gè)圓柱形同軸槍, 外電極與內(nèi)電極之間在槍底部有一個(gè)尼龍絕緣法蘭.同軸槍內(nèi)電極直徑為50 mm, 長(zhǎng)度為245 mm, 材料是黃銅; 外電極內(nèi)徑為100 mm, 長(zhǎng)度為270 mm, 材料是304不銹鋼; 絕緣法蘭直徑為100 mm, 厚度為20 mm.內(nèi)外電極距離25 mm,從槍體底端到出口平面為270 mm.一般來(lái)說(shuō)同軸槍放電擊穿位置在槍體底部, 絕緣法蘭表面爬電擊穿電壓低于氣體擊穿電壓, 所以一般在絕緣法蘭表面產(chǎn)生初始電流通道, 形成電流片, 隨后在磁壓力推動(dòng)下, 電離路徑上的氬原子, 產(chǎn)生等離子體射流.

圖2 實(shí)驗(yàn)同軸槍Fig.2.Coaxial plasma gun of experiment.

3 理論分析

同軸槍等離子體, 受到流經(jīng)等離子體的強(qiáng)電流、內(nèi)電極電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)J × B作用, 以很快的速度噴出.由于電流片的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu), 流經(jīng)等離子體的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)于等離子體的作用是各處相互抵消的, 總的貢獻(xiàn)是0, 因此對(duì)等離子體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的磁場(chǎng)部分只有流經(jīng)內(nèi)電極的軸向電流產(chǎn)生的角向磁場(chǎng).建立同軸槍坐標(biāo)系, 如圖3所示柱坐標(biāo)系, 以同軸槍底部絕緣法蘭表面中心為坐標(biāo)原點(diǎn), 內(nèi)電極軸向中心向槍口方向?yàn)閦軸方向, 徑向離z軸距離為r, 角向方向?yàn)棣确较?

圖3 同軸槍等離子體動(dòng)力圖Fig.3.Plasma dynamic diagram of coaxial gun.

當(dāng)同軸槍內(nèi)電流片穩(wěn)定運(yùn)行時(shí), 其向外的磁壓力和等離子體壓力達(dá)到平衡, 由此可以大致得到正負(fù)脈沖電流片的形態(tài).ρ(r)為磁流體元的質(zhì)量密度, 與正負(fù)脈沖以及徑向位置r有關(guān), 對(duì)于正脈沖,電流流向外電極, 外電極為陰極, 大量正離子聚集在外電極附近, 因此ρ在內(nèi)電極小、外電極大.對(duì)于負(fù)脈沖, 電流流向內(nèi)電極, 內(nèi)電極為陰極, 大量正離子聚集在內(nèi)電極, 因此ρ在內(nèi)電極大、外電極小.根據(jù)高超音速流理論, 電流片氣壓為

其中φ為磁流體元速度方向與內(nèi)電極表面法向方向的夾角, us為磁流體元的流速.

對(duì)于相同放電參數(shù)下, 正負(fù)脈沖的us相近似,B0, ri, μ0為常數(shù), 因此平衡條件可近似為

其中C為系數(shù), 可以得到大致電流片剖面.

如圖4所示, 在放電過(guò)程中, 正脈沖電流片是一個(gè)拋物面, 而負(fù)脈沖電流片是一個(gè)凸面形.相比而言, 負(fù)脈沖電流片更加平整, 掃掠效率更高, 且負(fù)脈沖內(nèi)電極是陰極, 大量正離子在內(nèi)電極聚集,由于正離子比電子質(zhì)量大得多, 可以認(rèn)為噴出后,電子在靜電耦合作用下向中心正離子靠近, 因此負(fù)脈沖等離子體主要集中在內(nèi)電極.正脈沖放電由于外電極是陰極, 正離子在外電極聚集, 噴出槍口后等離子體分布沒(méi)有負(fù)脈沖等離子體集中.所以負(fù)脈沖等離子體密度應(yīng)該比正脈沖等離子體密度高, 且由于正脈沖等離子體在空間分布比較分散, 所以輸運(yùn)的穩(wěn)定性也不如負(fù)脈沖等離子體.

在放電初期形成電流片時(shí), 不同徑向位置的磁流體元軸向速度決定了最終電流片的形態(tài).ρ1,2,u1,2, f1,2分別是正脈沖內(nèi)外電極附近的磁流體元質(zhì)量密度、軸向速度、受軸向磁壓力所做的功, ρ3,4,u3,4, f3,4分別是負(fù)脈沖內(nèi)外電極附近的磁流體元質(zhì)量密度、軸向速度、受軸向磁壓力所做的功.能量守恒有

圖4 正(a)和負(fù)(b)脈沖等離子體電流片理論模型圖Fig.4.Theoretical model diagrams of the current sheets of positive (a) and negative (b) pulsed plasma.

加速距離相同有f1= f3, f2= f4, 正脈沖內(nèi)電極附近質(zhì)量密度小, 外電極附近質(zhì)量密度大, 負(fù)脈沖相反, 因此有 ρ1＜ ρ3, ρ2＞ ρ4, 所以有 u1＞ u3,u2＜ u4.

由于正脈沖等離子體質(zhì)量主要分布在外電極,內(nèi)電極質(zhì)量小, 而外電極磁壓力弱, 內(nèi)電極磁壓力大, 因此內(nèi)外電極等離子體速度差異大.負(fù)脈沖等離子體質(zhì)量主要分布在內(nèi)電極, 外電極質(zhì)量小, 內(nèi)電極磁壓力大, 外電極磁壓力小, 內(nèi)外電極附近等離子體的軸向速度差異更小.因此相同放電參數(shù)下正脈沖等離子體的速度要比負(fù)脈沖等離子體速度快, 且由于正脈沖內(nèi)外電極等離子體的速度差異大, 容易產(chǎn)生等離子體分團(tuán).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析

圖5為高清相機(jī)曝光1 s的7 kV負(fù)脈沖放電照片, 可以看到同軸槍出口處有一個(gè)極亮的尾形區(qū)域.拍照位置固定, 通過(guò)RGB圖像處理, 將原圖分解為紅圖、綠圖和藍(lán)圖, 如圖6所示.紅圖中等離子體發(fā)光波長(zhǎng)比較長(zhǎng), 能量比較低, 可以看到等離子體擴(kuò)散到玻璃輸運(yùn)通道邊緣的狀態(tài).藍(lán)圖中等離子體發(fā)光波長(zhǎng)比較短, 能量比較高, 所以認(rèn)為藍(lán)圖中可以更好地顯示正負(fù)脈沖放電等離子體的核心區(qū)域, 輪廓比較清晰, 從藍(lán)圖中可以看到, 負(fù)脈沖等離子體在輸運(yùn)通道后部仍有較強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度, 說(shuō)明負(fù)脈沖等離子體射流更強(qiáng), 這是因?yàn)樨?fù)脈沖電流片凸面的形態(tài)使得其掃掠效率更高, 同時(shí)負(fù)脈沖等離子體更集中在中心, 電離產(chǎn)生更多等離子體, 射流強(qiáng)度更強(qiáng), 而正脈沖等離子體拋物面形的電流片掃掠效率較低, 電離產(chǎn)生的等離子體相對(duì)較少, 因此射流強(qiáng)度較弱.

圖5 7 kV氬氣負(fù)脈沖放電原圖Fig.5.Original image of 7 kV negative pulsed discharge of argon.

圖6 7 kV氬氣(a)正、(b)負(fù)脈沖放電照片的RGB圖像處理Fig.6.RGB image processing for the original images of 7 kV (a) positive and (b) negative pulsed discharge of ar?gon.

對(duì)圖片進(jìn)行亮度處理, 如圖7所示, 且對(duì)正負(fù)脈沖7 kV的放電圖片進(jìn)行了對(duì)比, 可以明顯發(fā)現(xiàn)負(fù)脈沖放電等離子體發(fā)光更加強(qiáng)烈, 同時(shí)在出口處存在一個(gè)極亮的尾形區(qū)域, 這個(gè)極亮的區(qū)域等離子體很密集, 而正脈沖放電槍口中心并沒(méi)有像負(fù)脈沖那樣明亮的區(qū)域.這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以由前面理論模型中得到解釋, 由于負(fù)脈沖電流片凸面的形態(tài), 而且在內(nèi)電極產(chǎn)生質(zhì)量堆積, 因此噴出后, 在中心形成高密度等離子體區(qū)域, 形成極亮的區(qū)域.而正脈沖等離子體質(zhì)量主要分布在外電極, 中心電極等離子體相對(duì)稀薄, 噴出后不會(huì)在中心形成極亮區(qū)域.

圖7 7 kV氬氣(a)正、(b)負(fù)脈沖放電照片的圖像亮度處理Fig.7.Image brightness processing for the original images of 7 kV (a) positive and (b) negative pulsed discharge of ar?gon.

以圖8左上角為原點(diǎn)輸運(yùn)方向?yàn)閄軸方向,自上往下的方向?yàn)閅軸方向建立像素坐標(biāo)系, 坐標(biāo)系圖像經(jīng)過(guò)進(jìn)一步亮度降低, 色階調(diào)整至0到120, 通過(guò)對(duì)等離子體核心區(qū)域的藍(lán)圖中的像素矩陣中X軸像素點(diǎn)300, 700, 1500 (圖8所示)提取分析, 得到X軸像素點(diǎn)300, 700, 1500處徑向亮度分布, 如圖9所示.

圖8 7 kV負(fù)脈沖放電條件下, 亮度處理藍(lán)圖X軸像素點(diǎn)300, 700, 1500位置示意圖Fig.8.For 7 kV negative pulsed discharge, schematic of X?axis pixel point 300, 700, 1500 of brightness processing blue?print.

高清相機(jī)位置固定, 記錄整個(gè)曝光期間的發(fā)光分布, 從圖9可以看出, 負(fù)脈沖等離子體整體發(fā)光更強(qiáng), 圖像邊緣存在對(duì)稱(chēng)的亮度大幅度起伏點(diǎn), 是由玻璃邊緣的反光, 以及在邊緣用于固定玻璃輸運(yùn)通道的尼龍棒的反光造成的, 可以用來(lái)大致確定玻璃通道的徑向范圍.在300像素點(diǎn)中心亮度極高,這個(gè)區(qū)域存在過(guò)度曝光, 但是其外輪廓比較清晰,可以很好分辨這一極亮區(qū)域的尺寸, 負(fù)脈沖中心極亮尾形區(qū)域1262到1456像素, Y軸總像素點(diǎn)為2576, 玻璃輸運(yùn)管道內(nèi)徑30.7 cm, 通過(guò)亮度徑向分布和藍(lán)圖中輸運(yùn)通道邊緣同黑暗背景亮度突變對(duì)比, 確定輸運(yùn)通道如圖9(a)所示, 通道邊緣像素坐標(biāo)為664, 2069, 由此比例計(jì)算, 極亮尾形區(qū)域直徑約為4.2 cm.同樣, 噴射出來(lái)的軸向長(zhǎng)度, 從出口處中心到尾端像素點(diǎn)為Y軸283, 455, 再加上槍口到內(nèi)電極距離7 cm, 所以尾形區(qū)域從內(nèi)電極大約長(zhǎng)10.8 cm.從像素300到700, 可以從圖像上看到外輪廓的擴(kuò)大, 這表明等離子體在輸運(yùn)過(guò)程中徑向的膨脹, 以及高亮度區(qū)域的亮度減小, 這表明等離子體能量耗散, 復(fù)合的氬原子比電離產(chǎn)生的氬等離子體更多, 使得發(fā)光強(qiáng)度減弱.正脈沖軸向輸運(yùn)過(guò)程中等離子體發(fā)光強(qiáng)度隨距離增加逐漸降低且外輪廓逐漸擴(kuò)大, 說(shuō)明正脈沖等離子體在輸運(yùn)過(guò)程中不斷加劇向外擴(kuò)散, 中心區(qū)域等離子體越來(lái)越少, 而負(fù)脈沖700, 1500像素處強(qiáng)度和外輪廓變化不大, 說(shuō)明負(fù)脈沖在噴出槍口后有一段相對(duì)穩(wěn)定擴(kuò)散的輸運(yùn)區(qū)域, 外部氣體壓力和內(nèi)部壓力達(dá)到平衡, 而正脈沖700到1500像素外輪廓繼續(xù)擴(kuò)大是因?yàn)檎}沖等離子體更多分布在外電極周?chē)? 更容易向外擴(kuò)散.以上RGB圖像處理以及X軸像素點(diǎn)亮度提取, 可以證明負(fù)脈沖等離子體出槍口瞬間發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng), 等離子體更密集, 這是由于負(fù)脈沖電流片更加平整, 且在磁壓力更大的內(nèi)電極質(zhì)量積累, 使得掃掠效率更高, 電離更多的氬原子, 發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng).正脈沖由于電流片呈拋物面形, 且陰極是外電極, 因此在外電極質(zhì)量積累, 掃掠效率相對(duì)較低, 電離的氬原子相對(duì)較少, 發(fā)光相對(duì)較弱.

圖9 (a)正、(b)負(fù)脈沖放電藍(lán)圖X軸像素點(diǎn)300, 700,1500 亮度徑向分布Fig.9.Brightness radial distribution of (a) positive, (b) nega?tive pulsed discharge blueprint at its X?axis pixel point 300,700, 1500.

圖10是正負(fù)脈沖7 kV, 10 Pa氬氣放電高速相機(jī)拍攝的正負(fù)脈沖放電第一和第二個(gè)等離子體團(tuán)的噴射照片, 高速相機(jī)曝光時(shí)間為1.02 μs, 幀速率為100 kHz.可以看到, 第一個(gè)等離子體團(tuán), 負(fù)脈沖產(chǎn)生的等離子體團(tuán)整體性更好, 正脈沖出現(xiàn)了明顯的分團(tuán), 對(duì)于第二個(gè)等離子體團(tuán), 正脈沖出口處中心有發(fā)光尾形區(qū)域, 負(fù)脈沖第二團(tuán)沒(méi)有這一區(qū)域, 但在第一團(tuán)存在這樣一個(gè)發(fā)光區(qū)域, 因此可以判斷, 這個(gè)發(fā)光尾形區(qū)域和內(nèi)電極為陰極有關(guān).

負(fù)脈沖放電第一周期和正脈沖第二周期極亮尾形區(qū)域的形成, 是因?yàn)樵趦?nèi)電極是負(fù)極也就是陰極時(shí), 正離子大多數(shù)分布靠近內(nèi)電極造成質(zhì)量積累, 所以等離子體噴出時(shí), 大多集中在內(nèi)電極, 由于回路電流是連續(xù)的, 需要有電子和正離子在出口處維持放電, 因此被等離子體團(tuán)拖拽出來(lái)一條尾形電流通道, 大量電子離子復(fù)合碰撞躍遷發(fā)光形成極亮的尾形電流通道區(qū)域.內(nèi)電極為陽(yáng)極也就是正脈沖的第一個(gè)周期, 負(fù)脈沖的第二個(gè)周期, 在外電極質(zhì)量積累, 電流片呈一個(gè)拋物面形, 因此等離子噴出后, 氬離子和電子在外電極邊緣復(fù)合碰撞躍遷發(fā)光, 中心沒(méi)有尾形區(qū)域.對(duì)于正脈沖第一個(gè)放電半周期出現(xiàn)的分團(tuán)現(xiàn)象, 是因?yàn)檎}沖放電在外電極有質(zhì)量積累, 且外電極角向磁場(chǎng)更弱, 磁壓力更小,速度較慢, 而靠近內(nèi)電極的等離子體受到更強(qiáng)的磁壓力, 密度更低, 速度更快產(chǎn)生速度差, 因此噴出槍口后, 導(dǎo)致等離子體分團(tuán).負(fù)脈沖電流片更加平整, 內(nèi)電極質(zhì)量積累, 受到更大的磁壓力, 整體速度更加均衡, 抑制了分團(tuán)現(xiàn)象.

圖10 7 kV, 10 Pa氬氣正、負(fù)脈沖放電第一(a), (c)和第二(b), (d)團(tuán)等離子體噴射高速相機(jī)拍照照片 (a), (b)正脈沖放電; (c), (d)負(fù)脈沖放電Fig.10.Fast?framing camera images of first (a), (c) and second (b), (d) plasmoid jet of 7 kV, 10 Pa argon positive,negative pulsed discharge：(a), (b) Positive pulsed dis?charge; (c), (d) negative pulsed discharge.

圖11是正負(fù)脈沖電流波形圖、光電流和磁信號(hào)波形圖, 光電探測(cè)器1和2分別放置在離槍口5 cm和10 cm處, 磁探針1和2分別放置在離槍底端5 cm和10 cm處.從圖11可以看到, 負(fù)脈沖光信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng), 光信號(hào)1到來(lái)時(shí)間更慢, 這是由于負(fù)脈沖電流片更加平整, 掃掠效率更高, 正脈沖電流片呈拋物面形, 外電極質(zhì)量積累, 掃掠效率低,負(fù)脈沖電離產(chǎn)生更多的等離子體, 因此負(fù)脈沖發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng).由于正脈沖電流片電離的氬原子更少,同時(shí)正脈沖等離子體在內(nèi)電極比較稀薄但受到的磁壓力很大, 因此正脈沖電流片速度更快, 光信號(hào)1到來(lái)時(shí)間更早.從圖11還可以看到, 正脈沖磁信號(hào)1在第一個(gè)放電半周期相比于負(fù)脈沖磁信號(hào)1的幅值稍大, 這是因?yàn)檎?fù)脈沖電流片不同的形態(tài)導(dǎo)致的.

采用同軸槍坐標(biāo)系, 磁信號(hào)的來(lái)源分為兩部分, 如圖12所示, 主要的一部分是流經(jīng)內(nèi)電極的軸向電流在磁探針處產(chǎn)生的角向磁場(chǎng) BθM, 由于流經(jīng)等離子體的電流對(duì)磁探針處的貢獻(xiàn)不再是軸對(duì)稱(chēng)的, 磁場(chǎng)不會(huì)被全部抵消, 因此磁信號(hào)另外一部分來(lái)源于內(nèi)外電極間流經(jīng)電流片的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)Br.分析認(rèn)為, 由圖11可以看到, 磁信號(hào)峰值附近時(shí), 從光信號(hào)到來(lái)時(shí)間看, 正負(fù)脈沖電流片位置都處在同軸槍槍口附近, 在相同的脈沖電流強(qiáng)度下, 如果只考慮 BθM, 那么正負(fù)脈沖磁信號(hào)幅值應(yīng)該是一致的, 因此認(rèn)為, 導(dǎo)致磁信號(hào)1測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生區(qū)別的原因是正負(fù)脈沖電流片形態(tài)分布的差別,以及磁信號(hào)1探測(cè)點(diǎn)位置在同軸槍底部, 使得正負(fù)脈沖電流片對(duì)磁信號(hào)1探測(cè)點(diǎn)Br貢獻(xiàn)不同.正如前面理論分析過(guò)程中得到的結(jié)論, 正脈沖電流片是一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的拋物面, 負(fù)脈沖相對(duì)比較平整、比較短,而磁信號(hào)1探測(cè)點(diǎn)處在同軸槍底部, 因此圖11中正脈沖磁信號(hào)幅值處, 電流片尾部在磁探針1仍能產(chǎn)生可觀的Br, 而負(fù)脈沖磁信號(hào)在幅值時(shí)電流片對(duì)此處貢獻(xiàn)較弱, 因此正脈沖磁信號(hào)1比負(fù)脈沖強(qiáng), 而處在軸向10 cm處的磁信號(hào)2點(diǎn)正負(fù)磁信號(hào)接近, 是因?yàn)樵擖c(diǎn)靠近同軸槍的中后部, 使得正負(fù)脈沖電流片對(duì)此處Br貢獻(xiàn)接近.

圖11 5.5 kV, 10 Pa氬氣正(a)、負(fù)(b)脈沖放電電流、光信號(hào)和磁信號(hào)波形圖Fig.11.Current, optical signal, and magnetic signal wave?form for 5.5 kV, 10 Pa argon positive (a), negative (b) pulsed discharge.

圖12 同軸槍磁探針磁場(chǎng)測(cè)量Fig.12.Magnetic field measurement of coaxial gun magnet?ic probe.

通過(guò)光電流波形圖上升點(diǎn)的時(shí)刻t1和t2, 可以大致計(jì)算得到等離子體噴射速度.最終得到速度隨電壓的變化, 如圖13所示.

圖13 10 Pa氬氣正負(fù)脈沖等離子體速度對(duì)比Fig.13.Comparison of positive and negative pulsed plasma speed of 10 Pa argon.

從圖13可以看到, 正脈沖等離子體的噴射速度比負(fù)脈沖速度快, 造成速度差異現(xiàn)象的主要原因是負(fù)脈沖第一個(gè)放電半周期內(nèi)電極是陰極而正脈沖外電極是陰極, 因此負(fù)脈沖在內(nèi)電極質(zhì)量積累,電流片更加平整, 掃掠效率高, 等離子體質(zhì)量更大,速度相對(duì)較慢, 而正脈沖電流片傾斜呈拋物面形狀掃掠效率相對(duì)較低, 等離子體質(zhì)量整體較少, 內(nèi)電極附近磁壓力大, 所以正脈沖等離子體速度更快,在第二個(gè)放電半周期, 可以看到正脈沖放電光信號(hào)仍然有相當(dāng)強(qiáng)度, 而負(fù)脈沖幾乎沒(méi)有, 這說(shuō)明在第一個(gè)放電半周期結(jié)束后負(fù)脈沖放電槍內(nèi)中性殘留氣體很少, 而正脈沖放電槍內(nèi)氣體殘留更多, 這也能證明在第一個(gè)放電半周期負(fù)脈沖掃掠效率更高,因此第二個(gè)放電半周期電離噴射出的等離子體較少, 發(fā)光強(qiáng)度很弱.

以槍底部中心為原點(diǎn), 槍出口方向?yàn)閆軸方向, z是電流片在槍內(nèi)離槍底部的距離, V0是以最大電流I0直流運(yùn)行時(shí)的電流片速度,為同軸槍的電感梯度, ri, r0分別是內(nèi)外電極半徑, 本實(shí)驗(yàn)中r0/ri為2, ρ為槍體內(nèi)氣體質(zhì)量密度, A是內(nèi)外電極間的環(huán)形橫截面積, 且假設(shè)電流片是垂直于軸向的環(huán)形片, 電流片掃過(guò)的地方氬原子能全部被電離, 電流波形是正弦波形, ω是正弦波的角頻率, 實(shí)驗(yàn)中電流一個(gè)周期 T 為 100 μs, ω = 2π/T, 所以電流片的理論速度近似是最大放電流和電流片槍內(nèi)加速時(shí)間的函數(shù)：

由于正負(fù)脈沖在相同放電電壓下光信號(hào)1到來(lái)時(shí)間不同, 因此正負(fù)脈沖等離子體的理論速度不同, 從圖13可以看到理論速度差異不明顯, 所以在槍體結(jié)構(gòu)固定的情況下, 影響等離子體速度的主要因素是放電氣體的種類(lèi)、氣壓和放電電壓, 可以看到實(shí)驗(yàn)上的速度幾乎都慢于理論速度, 是因?yàn)榈谝粋€(gè)光電探測(cè)器離內(nèi)電極距離12 cm, 同時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境不是理想真空環(huán)境, 等離子體在離開(kāi)同軸槍加速后, 與周?chē)Ｗ影l(fā)生碰撞, 發(fā)生動(dòng)量轉(zhuǎn)移, 因此經(jīng)過(guò)減速后實(shí)驗(yàn)等離子體速度較慢.

等離子體密度通過(guò)光譜分析Hβ的Stark展寬計(jì)算得到.光譜儀曝光時(shí)間設(shè)置為3 s, 光信號(hào)收集前后點(diǎn)分別在離槍口5, 10 cm處.展寬具體計(jì)算公式如下：

Δλν為總展寬佛克脫展寬, ΔλL和ΔλG分別為洛侖茲展寬和高斯展寬.佛克脫展寬包含了洛侖茲展寬和高斯展寬.在該實(shí)驗(yàn)的環(huán)境中, 洛侖茲展寬主要為Stark展寬, 高斯展寬近似為儀器展寬, 通過(guò)Stark展寬與總展寬、儀器展寬以及電子密度的關(guān)系, 可計(jì)算得到等離子體密度[26?28].

實(shí)驗(yàn)處理過(guò)程中, 將光譜儀采集到的486.1 nm Hβ譜線附近固定范圍內(nèi)譜線進(jìn)行洛侖茲非線性擬合得到總展寬, 最后通過(guò)對(duì)氦氖激光器632.8 nm譜線進(jìn)行高斯非線性擬合得到儀器展寬, 最終通過(guò)Stark展寬公式計(jì)算得到等離子體密度.由于光譜儀記錄的Hβ譜線展寬為最大展寬, 因此記錄的是同軸槍等離子體最大密度.從圖14可以看到,負(fù)脈沖等離子體的密度更高, 在低的放電電壓下,前點(diǎn)的密度高于后點(diǎn)的密度, 這是由于等離子體團(tuán)能量比較小, 從前點(diǎn)到后點(diǎn)的過(guò)程中, 熱膨脹、復(fù)合使得等離子體密度下降, 當(dāng)能量更高時(shí), 有額外能量電離更多的中性粒子, 使得等離子體密度升高.在相同放電條件下, 首先等離子體密度最高的點(diǎn)是第一團(tuán)等離子體產(chǎn)生的, 負(fù)脈沖第一個(gè)放電半周期內(nèi)電極是陰極, 正離子更多集中在內(nèi)電極, 且電流片比較平整, 掃掠效率更高, 更多的中性粒子被電離, 所以噴出后等離子體密度高, 正脈沖第一個(gè)放電半周期外電極是陰極, 等離子體噴出后比較分散, 且電流片是一個(gè)拋物面形, 掃掠效率比較低,因此密度較低.

圖14 10 Pa氬氣正負(fù)脈沖等離子體密度對(duì)比Fig.14.Comparison of positive and negative pulsed plasma density of 10 Pa argon.

5 分析與討論

同軸槍強(qiáng)流脈沖等離子體的特性受到中心電極極性影響, 主要是因?yàn)殛帢O附近會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量積累, 由于放電電極為中心同軸電極, 角向感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從內(nèi)電極到外電極逐漸降低, 使得電流片在內(nèi)電極附近受到更大的磁壓力, 外電極附近磁壓力相對(duì)較小, 正脈沖等離子體主要分布在外電極, 內(nèi)電極等離子體稀少但受到很強(qiáng)的磁壓力, 因此電流片呈拋物面形, 掃掠效率也相對(duì)較低, 負(fù)脈沖等離子體主要分布在內(nèi)電極, 受到磁壓力大, 外電極等離子體更少, 但是磁壓力也相對(duì)較小, 因此電流片更加平整, 掃掠效率也更高.因此陰極的質(zhì)量積累效應(yīng)和同軸放電電極結(jié)構(gòu)對(duì)電流片的形態(tài)、掃掠效率產(chǎn)生影響, 從而導(dǎo)致正、負(fù)脈沖等離子體特性的差異, 在相同放電電壓和氣壓下, 正脈沖等離子體速度更快, 但是密度相對(duì)較低, 同時(shí)由于正脈沖等離子體的速度差異, 通過(guò)高速相機(jī)上可以直接觀察到分團(tuán)現(xiàn)象, 負(fù)脈沖等離子體由于電流片相對(duì)平整,速度差異較小, 抑制了分團(tuán)現(xiàn)象的發(fā)生.

6 結(jié) 論

通過(guò)調(diào)換脈沖電源整流電路中二極管的方向?qū)崿F(xiàn)了同軸槍正、負(fù)脈沖的放電方式, 以電流片為參考系建立坐標(biāo)系, 等離子體壓力與磁壓力平衡建立方程, 根據(jù)正、負(fù)脈沖電流片質(zhì)量分布的不同大致得到了正、負(fù)脈沖電流片的理想形態(tài).使用光電二極管測(cè)量、光譜儀對(duì)Hβ譜線的Stark展寬分析計(jì)算得到在相同放電條件下, 正、負(fù)脈沖等離子體的速度與密度.利用高清相機(jī)拍照RGB圖像處理,從藍(lán)圖中可以觀察等離子體核心區(qū)域, 負(fù)脈沖中心區(qū)域發(fā)光極強(qiáng), 等離子體更集中在內(nèi)電極噴出, 同時(shí)觀察到正脈沖等離子體更容易徑向膨脹.通過(guò)高速相機(jī)直接觀察到了分團(tuán)現(xiàn)象.分析了電流片形態(tài)以及質(zhì)量分布對(duì)于同軸槍等離子體特性的影響.結(jié)果表明, 正脈沖等離子體在速度上更占優(yōu)勢(shì), 負(fù)脈沖等離子體在密度和輸運(yùn)穩(wěn)定性上更具有優(yōu)勢(shì), 因此建議相關(guān)研究者, 想要獲得更高密度同軸槍等離子體時(shí)采取負(fù)脈沖放電的方式, 想要獲取更高速度參數(shù)的等離子體源時(shí), 采用正脈沖放電方式.