氘化物阴极真空弧放电光斑分布

氘化物真空弧放电在许多领域均有应用,如无损检测、石油探井、中子活化分析等。和金属阴极不同,氘化物阴极放电时会释放大量的气体分子,表现出许多不同性质。采用放大镜头和ICCD相机观察了氘化物阴极真空弧放电光斑分布。测量系统的空间分辨率约为5 μm,时间分辨率最小2 ns。放电脉冲半高全宽（FWHM）0.9 μs,弧流波形为半周期正弦波。实验结果表明,氘化物真空弧放电时,所有阴极斑聚集为一个群落,表现为一个大光斑;在液滴作用下,阴极斑群落偶尔也会分裂为两个或多个群落;光斑形状不受弧流影响,但面积和亮度会随弧流增加而增大。氘化物阴极放电斑点聚集有利于产生高密度等离子体,提高放电效率。     

含氢电极真空弧放电等离子体时空分布特性研究

真空弧离子源在真空镀膜、材料表面改性、真空大电流开关、加速器离子注入等领域有广泛应用,目前国内外对真空弧放电等离子体的研究主要针对纯金属或合金电极,对含氢电极的研究和公开报道较少.本文利用高时空分辨的四分幅图像诊断系统,结合氢和钛原子特征线单色器件,研究了含氢钛电极的真空弧微秒级脉冲放电等离子体的轴向和径向时空分布特性.研究表明:在真空击穿阶段,阳极区域发光更为明显,阳极电极解吸附释放的氢原子是引发击穿的主要放电介质;在真空弧阶段,阴极-绝缘-真空三结合点处产生圆锥状阴极斑,喷射出大量的等离子体以维持弧放电,同时电极内壁非阴极斑区域也有少量等离子体产生,等离子体中H原子的轴向和径向空间分布均比Ti原子均匀.     

脉冲金属氢化物真空弧放电等离子体发射光谱特性

利用发射光谱方法对真空弧离子源放电等离子体特性进行了诊断。同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了等离子体的发射光谱拟合模型,对真空弧放电等离子体光谱进行了分析。针对TiH真空弧离子源,分别对330~340 nm与498~503 nm范围内Ti+离子与Ti原子的发射光谱进行了对比拟合,获得了较好的符合度,解决了传统Boltzmann斜率法计算等离子体温度需要孤立的不受附近谱线干扰的线状光谱的困难。最后,利用该方法计算了真空弧离子源在不同放电条件下的等离子体发射光谱、等离子体密度与温度参数。结果表明,TiH真空弧放电等离子体温度在1 eV左右,同时,放电所产生的氢原子要远远大于金属原子,并且随着真空弧离子源馈入功率的增加,TiH电极中解吸附出来的氢比蒸发出来的金属增加得更多,这有利于TiH离子源在中子发生器方面的应用。     

条纹相机在真空弧离子源等离子体诊断中的应用

针对真空弧离子源,利用条纹相机将时间轴信息转换为空间轴信息的特点,结合光谱仪分光功能,建立了一套高时间分辨与光谱分辨能力的发射光谱诊断装置,其时间分辨率和光谱分辨率分别可达26 ps与0.1 nm。利用该诊断装置采集获得了单次脉冲内等离子体的时间演化特性;同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了一套谱线拟合的等离子体温度与密度计算模型。相比传统的Boltzmann斜率法与Stark展宽法需要寻找孤立的不受附近谱线叠加的干净线状光谱,建立的拟合光谱模型可以直接处理多条谱线因为展宽效应而叠加形成的光谱线型,计算得到等离子体中电子温度与电子密度。结果表明,在脉冲功率源的作用下,真空弧放电等离子体的电子温度与电子密度分别可达1 eV与3.51024 m-3。     

条纹相机在真空弧离子源等离子体诊断中的应用

针对真空弧离子源,利用条纹相机将时间轴信息转换为空间轴信息的特点,结合光谱仪分光功能,建立了一套高时间分辨与光谱分辨能力的发射光谱诊断装置,其时间分辨率和光谱分辨率分别可达26ps与0.1nm。利用该诊断装置采集获得了单次脉冲内等离子体的时间演化特性;同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了一套谱线拟合的等离子体温度与密度计算模型。相比传统的Boltzmann斜率法与Stark展宽法需要寻找孤立的不受附近谱线叠加的干净线状光谱,建立的拟合光谱模型可以直接处理多条谱线因为展宽效应而叠加形成的光谱线型,计算得到等离子体中电子温度与电子密度。结果表明,在脉冲功率源的作用下,真空弧放电等离子体的电子温度与电子密度分别可达1eV与3.5×1024 m-3。     

离子束流剖面分布离线诊断方法探索

提出了一种基于二次离子质谱分析技术的离子束流剖面分布的离线诊断方法,具有分辨率高、可同时给出束流剖面分布和成分信息的特点。利用数值模拟方法对该诊断方法的可行性进行了分析和讨论,并结合原理实验给出了验证结果。结果表明：该方法可以用于真空密封型中子发生器离子束流剖面分布的诊断,能够成为其他诊断方法的验证手段和有力补充。     

混合离子束阴极真空弧等离子体鞘层特性

基于无碰撞模型,建立了混合离子束阴极真空弧等离子体鞘层动力学模型,给出了解析表达式。针对材料改性中应用的H-Ti混合离子束,模拟计算了鞘层厚度和靶表面电场强度分别随离子密度和偏置靶压的演变规律。针对实际应用中出现的鞘层击穿和离子束散焦现象进行了理论分析,发现离子束稳定工作区域强烈依赖于离子密度和偏置靶压等参数,降低离子密度和提高靶压会增加稳定工作区域范围。     

Mass spectroscopic investigation of ionized compenents of vacuum-arc discharge plasma

Special features of the application of a mass spectroscopic method to analysis of ionized components of the plasma of a vacuum-arc discharge are discussed. The intensities of N⁺, O ₂ ⁺ , Ar⁺, TiN⁺, and TiO⁺ ions as functions of the pressure of the corresponding neutral gas and the magnitude of the magnetic-field strength on the cathode surface are measured. The average energy of the N⁺ and TiN⁺ ions as measured with an electrostatic probe is equal to ≈25 eV. The number of the N⁺, O⁺, TiN⁺, and TiO⁺ ions that emerge on the cathode and propagate in the direction of the substrate is tenths of a percent of the number of metal ions, which confirms the mechanism of reactive vacuum-arc coating forming directly on the substrate. Physico-Technical Institute Academy of Sciences of Belarus, 4, Zhodinskaya St., Minsk, 220730. Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 64, No. 5, pp. 674–678, September–October, 1997.     

纵磁作用下真空电弧单阴极斑点等离子体射流三维混合模拟

真空电弧的特性直接受到从阴极斑点喷射出的等离子体射流的影响,对等离子体射流进行数值仿真有助于我们深入了解真空电弧的内部物理机制.然而,磁流体动力学和粒子云网格仿真方法受限于计算精度和计算效率的原因,无法有效地应用于真空电弧等离子体射流仿真模拟.本文开发了一套三维等离子体混合模拟算法,并在此基础上建立了真空电弧单阴极斑点...     

大电流下多棒极型真空触发开关电弧特性

提出了一种多棒极型真空触发开关（TVS）,利用3对棒形电极的特殊结构来增大主触头间的燃弧面积,从而有效地提高TVS通流能力。结合真空电弧电压实验,阐述了多棒极型TVS在不同的大电流等级下的电弧发展变化过程。电弧电压的变化表现了多棒极型TVS中多通道并联燃弧及其在各通道之间的电弧转移过程,从而使得真空电弧维持在扩散态。由此开发的TVS样品实现了225 kA的峰值电流,单次转移电荷量45 C。     

大电流下多棒极型真空触发开关电弧特性

提出了一种多棒极型真空触发开关（TVS）,利用3对棒形电极的特殊结构来增大主触头间的燃弧面积,从而有效地提高TVS通流能力。结合真空电弧电压实验,阐述了多棒极型TVS在不同的大电流等级下的电弧发展变化过程。电弧电压的变化表现了多棒极型TVS中多通道并联燃弧及其在各通道之间的电弧转移过程,从而使得真空电弧维持在扩散态。由此开发的TVS样品实现了225 kA的峰值电流,单次转移电荷量45 C。     

Investigation of unstable motion characteristics of vacuum arc cathode spots between transverse magnetic field contacts

With the improvement of the current level of power grids, the requirements of the opening level of the vacuum switches are also increasing. Vacuum arc cathode spots provide steam and electrons and, to a certain extent, determine the opening capacity of the vacuum switch. In this paper, a vacuum arc cathode spot research platform based on the de-mountable vacuum chamber is constructed. The characteristics of the vacuum arc cathode spots under the transverse magnetic field (TMF) contacts are assessed by a high-speed charge coupled device. The experimental results show that the cathode spot diffusion process can be divided into three processes through cathode spot distribution, arc voltage and current: initial diffusion stage of cathode spots, unstable motion stage of cathode spots, and extinguishing stage. The motion mode of cathode spots during unstable motion stage can be divided into cathode spots group stagnation (CSGS) to multi-cathode jet (MCJ) switch mode, cathode spots group motion (CSGM) to MCJ switch mode, CSGM mode, and MCJ mode. The effects of peak current and contact diameter on unstable motion mode were analysed.     

Space-charge-limited current of vacuum arc thruster

To optimize thrust performance, the expression of space-charge-limited current for vacuum arc thruster is derived from Poisson's equation. The commonly used ring-type and coaxial-type vacuum arc thrusters are simplified to the equivalent current sheet in planar geometry and cylindrical capacitor, respectively, for this calculation. Both the spatial distribution and peak magnitude of space-charge-limited current are given explicitly, together with their dependences on gap distance, applied voltage, charge number, and ion mass. For typical experimental parameters of the vacuum arc thruster, it is shown that the maximum current density drops significantly when the gap distance becomes large and grows when the applied voltage increases; moreover, a cathode material of lower atomic weight yields a higher current density. The expressions of total current for these two types of vacuum arc thruster are also presented. This work, to our best knowledge, is the first application of space-charge-limited current to the vacuum arc thruster and practically very interesting for engineering design.