放电参数对爆燃模式下同轴枪强流脉冲放电等离子体的影响

同轴枪强流脉冲放电常见有爆燃模式和预填充模式两种放电模式,爆燃模式放电可以得到杂质少、准直性高、输运速度更快的等离子体射流.本实验主要对不同电压及进气量下同轴枪强流脉冲爆燃模式放电的等离子体特性进行了研究.结果表明,在相同放电电压下,进气量少时会有多团等离子体从枪口喷出.随着进气量的增加,同轴枪放电产生的等离子体密度增加,输运速度减小,最终等离子体只有一团从枪口喷出;而在相同进气量下,随着电压的增加,等离子体密度增加,输运速度增大,开始出现有多团等离子体从枪口喷出的现象.产生该现象的原因主要是在放电过程中,当气体持续进入枪底部时,同轴枪底部会产生新的电流通道向前运动,使得在同轴枪出口处观察到了多团等离子体喷出的现象;随着放电电压的增加,在放电过程中回路电流也增加.当电流增加到一定程度时,同轴枪底部就会产生新的电流通道,从而有多个等离子体团从枪口喷出.通过改变充电电容以及对磁探针信号的分析,进一步分析并验证了同轴枪底端多次放电的现象.     

同轴枪放电等离子体电流片的运动特性研究

同轴枪放电可以产生高速度、高密度的等离子体射流,在天体物理、核物理等研究领域具有广泛的应用.基于同轴枪放电等离子体运动的"雪犁模型"分析,本实验通过对等离子体光电信号和磁信号的测量及放电照片的拍摄,研究了不同放电电流和气压对同轴枪放电等离子体电流片的运动特性、电流通道分布的影响.实验结果发现:一次放电过程中,气压为10 Pa、放电电流为35.7—69.8 kA时,随着放电电流的增加,等离子体喷射速度增加,输运距离与离子携带的轴向动能成正比,大电流条件下,等离子体喷出枪口时易于在枪底端形成新的电流通道;气压为5—40 Pa、放电电流为49.8 kA时,随着气压的增加,等离子体喷射速度减小,输运距离缩短,高气压下,等离子体喷出枪口时在枪底端未产生新的放电通道,这与放电过程中遗留在枪底端的带电粒子和电流片渗漏残留在枪内的中性粒子共同形成的阻抗通道有关;电流反向时,二次放电击穿位置发生在电极头部,放电过程中存在多次放电现象.     

微小碎片加速器同轴枪内等离子体轴向速度研究

等离子体驱动微小碎片加速器是地面模拟空间微小碎片超高速撞击实验的装置, 决定其加速效果的是加速器同轴枪内等离子体轴向速度. 采用发射光谱法研究等离子体轴向速度随放电电压和工作气体压强的变化关系. 实验结果揭示:轴向速度随着放电电压的增大线性增加,随工作气压的增大而缓慢减小, 与数值模拟结果符合.为进一步提高等离子体轴向速度,优化加速器提供了可靠依据.     

面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源研制

为了产生高能等离子体合成射流,设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源,输出电压为10 kV,重复频率为100 Hz,可承受高达250 A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理,比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中,研究了不同间距对等离子体合成射流的影响,比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明:不同放电电容在相同激励器间距的条件下,击穿电压基本相同;击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流,且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高,易于产生高能的等离子体合成射流。     

磁控溅射辉光放电特性的模拟研究

采用二维、自洽的PIC/MCC (particle-in-cell with Monte Carlo collision) 方法,模拟了磁控溅射辉光放电过程, 重点讨论了工作参数对放电模式和放电电流的影响. 模拟结果表明, 当工作气压由小到大或空间磁场从强到弱变化时, 放电模式会从阴极空间电荷主导的放电模式过渡到阳极空间电荷主导 的放电模式.在过渡状态,对应的工作气压与磁通密度分别为0.67 Pa和0.05 T; 随着工作气压的增大,放电电流先增大后趋向平衡,当工作气压超过2.5 Pa时,电流开始随工作气压的增大而减小; 而阴极电压增大时,放电电流近似线性增加.     

同轴枪脉冲放电等离子体输运过程中密度变化的实验研究

同轴枪放电等离子体具有密度高、输运速度快等特点,在核物理、航天工程等领域具有广阔的应用前景,已成为国际前沿研究热点.同轴枪中的等离子体密度是反映其应用特性的重要参数之一,因此等离子体密度在输运过程中的变化对理论研究和实际应用都具有重要意义.利用发射光谱法测量了H_β谱线的Stark展宽,从而计算出同轴枪放电等离子体密度在输运过程中的变化.结果显示,当电源注入能量为1.08 kJ、同轴枪内空气气压为4.0Pa时,等离子体密度在输运过程中不断增加;相同能量注入条件下,当同轴枪内空气气压增加至10 Pa时,等离子体密度在输运过程中出现了先增加后减小的趋势;当电源的注入能量达到7.68 kJ时,等离子体密度在10 Pa气压条件下输运时也出现了一直增加的现象.此外,当同轴枪内的工作气体变为氩气时,在注入能量为1.08 kJ、枪内气压4.0 Pa条件下,等离子体密度在输运过程中一直减小.     

同轴介质阻挡放电发生器介质层等效电容和负载特性研究

大气压介质阻挡放电(DBD)可以在常压下产生非平衡等离子体,已经成为热点研究领域.通过脉冲或交变电源激发放电,研究电源输出特性、电源与放电发生器负载间的匹配和外界条件对放电的影响对于理解放电现象和提高放电效率具有重要意义.本文采用Lissajous图形法,分别研究了驱动电压、气流速率等因素影响同轴DBD发生器介质层等效电容及负载幅频特性的规律.结果表明,气流速率和驱动电压等外界条件影响DBD发生器的负载特性:介质层等效电容随气流速率增大而减小,随驱动电压增大而增大;幅频特性曲线均表现出RLC回路谐振现象,谐振频率随气流速率增大而增大,随驱动电压增大而减小.通过对比发现,介质层等效电容随频率的变化曲线与幅频特性曲线具有一致的特征,介质层等效电容是影响电路谐振频率动态变化的主要因素.提出了一种有关介质层等效电容的形成机制.     

陶瓷表面放电光泵浦源放电特性研究

为了提高表面放电光泵浦源的寿命,以Al_2O_3陶瓷作为放电基板,研制了分段表面放电光泵浦源。基于放电电压和电流波形,详细研究了泵浦源的放电周期,放电通道电阻,能量沉积效率和等离子体功率密度。发现泵浦源的放电周期、放电通道电阻和能量沉积效率均随放电间隙长度和混合气体气压的增大而变大,随充电电压的增加而减小;而等离子体功率密度主要取决于充电电压和放电间隙长度,基本不随混合气体气压的改变而变化。在充电电压为26. 8 kV,气压为100 kPa,放电间隙长8 cm的条件下,泵浦源的能量沉积效率约为82%,等离子体功率密度达到了9. 36 MW/cm。实验研究表明:Al_2O_3陶瓷表面放电光泵浦源具有良好的放电特性,较同等条件下聚四氟乙烯表面放电光泵浦源的等离子体功率密度更高,可产生更强的真空紫外辐射,辐射亮度温度大于23 kK。Al_2O_3陶瓷表面放电光泵浦源适用于光泵浦XeF_2气体形成大功率XeF(C-A)蓝绿激光。     

Langmuir探针诊断低压氢等离子体电子密度与温度

为研究实验参数对螺旋波诱导的低压氢等离子体状态的影响,用Langmuir探针对等离子体伏安特性曲线进行了原位诊断,采用双曲正切函数的指数变换模型拟合曲线,根据Druyvesteyn方法得到状态参数电子密度、有效电子温度和电子能量几率函数,分析了它们随实验参数的变化规律。结果表明:射频输入功率、气压和约束磁场对等离子体状态有较大影响。随着射频射入功率增大,放电模式发生转变,电子密度跳跃增长;随着气压增大,电子密度先增大后减小,1.5 Pa为最佳电离气压,随约束磁场的增强呈线性增长;有效电子温度随功率和气压的增大而下降,随约束磁场的增强线性降低,电子能量几率函数曲线峰位和高能部分都向低能移动,与有效电子温度变化规律吻合。     

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采用纳秒脉冲电源,在静止空气条件下,开展了不同气压、放电距离和电压条件下的大体积纳秒脉冲放电实验研究.研究表明,当长度固定为200mm时,气压为250Pa时,随着电压的增大,放电区域从圆锥电极附近扩展到整个通道.当电压为12kV时,放电布满整个通道;随气压升高,初始放电电压增大.实验中发现在电压升高到一定程度时纳秒脉冲电离出现不稳定性,表现在气压相对较低时等离子体出现径向波动,气压相对较高时非平衡等离子体放电向电弧放电转变.分析认为,为了实现大体积均匀放电等离子体的产生,阻止放电不稳定性发生,应该采用上升沿时间更短,脉宽更小,电压更高的纳秒脉冲电源.     

Current distribution measurements inside an electromagnetic plasma gun operated in a gas-puff mode

Measurements are presented of the time-dependent current distribution inside a coaxial electromagnetic plasma gun. The measurements are carried out using an array of six axially distributed dual-Rogowski coils in a balanced circuit configuration. The radial current distributions indicate that operation in the gas-puff mode, i.e., the mode in which the electrode voltage is applied before injection of the gas, results in a stationary ionization front consistent with the presence of a plasma deflagration. The effects of varying the bank capacitance, transmission line inductance, and applied electrode voltage were studied over the range from 14 to 112 μF, 50 to 200 nH, and 1 to 3 kV, respectively.     

小型空心阴极等离子体电子枪实验

基于空心阴极效应和低压辉光放电原理,设计了一种小型空心阴极等离子体电子枪并进行了实验研究,在低气压下获得了稳定的空心阴极辉光放电,测量电子枪放电结果表明:在空心阴极中加入灯丝热子可明显降低放电气压;电子束电流的大小随放电电压增大而增大,受气体气压影响较小;在气压2Pa,放电电压10kV,脉宽4μs脉冲下放电,可得到脉宽为2μs,电流为600mA的电子束。     

On the Role of Capacitance Determination Accuracy for the Electrical Characterization of Pulsed Driven Dielectric Barrier Discharges

A dielectric barrier discharge (DBD) of coaxial geometry has been investigated. The discharge cell was filled by 100 mbar of argon and driven by positive square voltage pulses with a rise time of 20 ns and 75 ns. The internal discharge characteristics such as the discharge current, the gas gap voltage, the instantaneous power and energy have been determined from measured current and voltage waveforms. The peculiarities of the experimental evaluation of the discharge parameters are discussed in detail. Special attention is paid to the accurate experimental determination of the key capacitance values of the DBD, namely the capacitance of the reactor cell C_cell and the capacitance of the dielectric barriers C_d. The influence of the capacitance value accuracy on precision of electrical characterization is demonstrated and it is shown that a small uncertainty in the C_d value leads to large errors in the evaluation of the gas gap voltage. Nevertheless, the obtained accuracy of the capacitance values allows the reliable comparison of the electrical DBD parameters. These are sensitive to the mode of discharge excitation. The shortening of the voltage rise time leads to the increase of the total and instantaneous energy as well as the peak power dissipated into the discharge. (© 2013 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟

由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播,而很难通过对传统的表面波等离子体(SWP)源施加负偏压实现金属材料溅射,因此限制了SWP源的使用范围.近期,一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题,且其加热机理是表面等离激元(SPP)的局域增强电场激励气体放电产生.但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰,导致其最佳放电条件没有获得.本文采用粒子(PIC)和蒙特卡罗碰撞(MCC)相结合的模拟方法,探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理.模拟结果表明,负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化,从而表现出不同的放电形貌.进一步分析确定,在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近,该SWP源的放电效果最佳.     

Simulations of V-I characteristics in a plasmafocus fun

The voltage and current characteristics in a plasma focus gun are simulated to yield the current efficiency and the rundown velocity of the current sheath. Since the discharge circuit is strongly influenced by the rundown dynamics of the current sheath, the simple snowplow model, which is modified to include the time-varying current and mass efficiencies, us used. The computer simulations are carried out for two separate experiments using deuterium and argon gas. A steady state of constant rundown velocity and saturated sheath current for both gases is correlated to the maximum holding voltage of the glass insulator. As much as 27% of the total discharge current for the deuterium gas and 33% for argon gas stay behind as leakage currents around the glass insulator when the radial compression phase begins     

不同电极结构下介质阻挡放电电离特征的试验研究

由于具有工作气压高、放电均匀等特点,大气压介质阻挡放电成为近年来非平衡等离子体领域研究的主要技术。电极结构是电离特性的主要影响因素之一,因此,通过电极结构优化来改善电离特性,对等离子体放电设备的应用领域拓展及性能优化至关重要。为改善大气压介质阻挡放电的电离特性,产生高活性、高均匀性的低温等离子体,基于自主设计的同轴介质阻挡放电装置进行了不同电极结构的电离试验及参数诊断;在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV条件下进行了氩气电离试验;采用原子发射光谱法（AES）对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;研究了螺纹电极、齿状电极、圆柱电极放电的特征光谱参数及外施电压对介质阻挡放电特征参数的影响。结果表明,齿状电极放电所形成等离子体的放电强度更大且放电效果显著,电子平均能量利用率低,电子激励温度弱于圆柱电极;圆柱电极放电强度较弱,但易形成大面积均匀性等离子体;大气压环境下电子激励温度不因外源电压的升高而单调递加,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外施电压的供给,而是取决于电极结构、气体组份、气体压强;增大外施电压仅能增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500 K,符合典型的低温等离子体特征。