外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

外磁场作用下的磁等离子体动力学过程仿真

磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.     

磁加速等离子体激励器激励特性

为了增强等离子体激励器的扰动能力、提升等离子体气动激励的控制效果,采用高压探针、烟流显示和PIV流场测试等多种研究手段,开展了磁场加速等离子体激励器特性研究,获得了激励器不同时刻的放电图像,分析了磁场强度对激励器电学特性与诱导流场特性的影响规律.结果表明,（1）放电等离子体的定向运动速度与磁场强度成正比,磁加速等离子体的最大移动速度达到了6 m/s;（2）通过对不同剖面的诱导流场进行研究发现,磁场加速等离子体激励器能够在近壁区产生一系列涡结构.此外,该诱导流场具有显著的三维特征与非定常特性.研究结果为开展基于磁加速等离子体气动激励的流动控制奠定了基础.      

用于激光等离子体中脉冲强磁场产生的电感耦合线圈

脉冲强磁场装置是磁化激光等离子体实验的核心设备.本文研制了一种用于优化脉冲强磁场设备的电感耦合线圈,相对于单匝磁场线圈可以进一步提高磁场强度.通过实验和模拟研究了电感耦合线圈的初级螺线管匝数和直径对磁场强度的影响,发现对于2.4μF电容的放电系统,电感耦合线圈的初级螺线管在35匝、35 mm直径时,可以在5 mm内径的次级磁场线圈中获得最高的峰值磁场强度,是相同尺寸单匝磁场线圈产生磁场强度的3.6倍.在充电电压20 kV时,峰值磁场强度达到19 T,使用铍铜材料的电感耦合线圈克服强磁场中线圈炸裂问题,在35 kV的充电电压下得到了33 T的峰值磁场强度.这种新方法产生了更强的磁场、降低了对回路电感的要求、提升了实验排布的灵活性,为研究强磁场下的激光等离子体行为创造了条件.     

磁场引起的潘宁离子源阻抗变化研究

以11 MV回旋加速器潘宁离子源作为研究对象,通过调节磁场强度研究了磁场对工作在弧放电模式下的潘宁离子源的影响规律,深入分析了该放电模式下的放电自持机制、磁场引起的阻抗变化规律、异常发光现象。实验在6 mL/min氢气流量下,保持离子源弧流不变,调节磁场强度,记录磁场强度对弧压的影响。实验结果表明:二次电子发射机制与热电子发射机制在潘宁源自持放电过程中发挥了同样重要的作用;在强磁场情况下离子源阻抗受到磁场变化影响不大,在磁场小于0.15 T时磁场的作用才变得明显;当磁场减弱至等离子体进入阻抗增长区后,存在一段等离子体剧烈放电、光强突然增加的区域。在实验的基础上,得到了设计潘宁源的启发,并分析了磁场对等离子体电导率影响的微观物理机制,这些有助于研制或使用工作在弧放电模式下的潘宁离子源。     

激光驱动的毛细管等离子体尾波特性

基于激光等离子体尾波解析模型,分析了毛细管中激光与等离子体相互作用,数值计算了尾波中基本物理量。计算结果表明:毛细管等离子体尾波幅度与毛细管半径有关,在较小的毛细管中尾波幅度更大。在相同的激光与等离子体参数情况下,与无界等离子体尾波相比较,毛细管等离子体尾波中电子空泡纵向尺度、电场强度峰值、角向自生磁场强度峰值提高了60%,这些特征都表明毛细管等离子体尾波更有利于电子加速。     

平面磁控阴极用于PEPC等离子体放电实验研究

 平面磁控阴极用于大面积等离子体放电具有大幅降低放电电压和放电气压的优点,是PEPC首选的放电途径。通过对不同尺寸、不同磁场强度和不同气压状态下放电实验研究表明：在较宽的磁场强度范围内都可实现全口径的均匀等离子体放电,电极几何尺寸的小量变化对放电均匀性的影响不大。给出了满足300mm×300mm放电腔的放电参数。     

平面磁控阴极用于PEPC等离子体放电实验研究

平面磁控阴极用于大面积等离子体放电具有大幅降低放电电压和放电气压的优点 ,是PEPC首选的放电途径。通过对不同尺寸、不同磁场强度和不同气压状态下放电实验研究表明 :在较宽的磁场强度范围内都可实现全口径的均匀等离子体放电 ,电极几何尺寸的小量变化对放电均匀性的影响不大。给出了满足 30 0 mm× 30 0 mm放电腔的放电参数。     

激励电压对沿面介质阻挡放电特性的影响分析

近年来, 沿面介质阻挡放电(SDBD) 用作大气压下气流控制的等离子体激励器因其众多的优点受到了广泛的关注. 然而, 国内外对沿面介质阻挡放电及其应用的研究尚处于探索阶段, 对其放电特性的影响因素缺乏规律性的认识. 因此, 对SDBD 相关特性和影响因素进行研究具有重要理论意义和应用价值. 本文使用频率5 ~20 kHz,峰值电压0~30 kV 的可调正弦交流电源激励大气压环境下的 SDBD 装置. 通过调节激励电压大小, 研究了其与SDBD 放电特性之间的关系, 对等离子体放电电流、 放电形貌、 功率损耗、 诱导气流以及机械效率进行了分析. 实验结果表明,SDBD 消耗功率、 放电强度和诱导气流均会随着激励电压的增大而增大, 但机械效率存在先增大后减小的趋势, 说明等离子体流动控制中研究中存在最佳效率点.     

筒形溅射阴极的磁场优化及其高功率放电特性研究

基于高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术开发的筒形溅射阴极,配合电磁系统可有效地提升等离子体的输运效率.然而电磁系统的引入反作用于筒内放电特性,从而使靶面放电面积和放电强度无法同时维持.鉴于此,本文通过调整磁场布局,研究了靶面切向(横向)磁场和法向(纵向)磁场对靶面放电的作用规律,优化后靶面切向磁场分布更加均匀,磁场强度高于40 mT的靶面区域占比由51%增至67%,同时法向峰值强度外移,强度由73 mT增至96 mT.采用Ar/Cr体系放电发现:相同工艺条件下,优化后的溅射阴极辉光变亮,靶电流增大,放电面积变宽,放电特性得到显著提升.利用等离子体整体模型仿真和发射光谱仪检测发现优化后离子电流和光谱强度得到明显提升,Cr粒子密度提高一倍,增至2.6×10^20 m^–3,且离化率上升至92.1%,同时输出离子通量提高近一倍,实现了靶面放电与离子输出的双促进.     

Numerical simulation on the operational characteristics of the pulsed inductive acceleration

To analyse the ionization and acceleration properties of an inductive plasma excited by a pulsed current flowing through the planar coil, the extended GLM formulations of the MHD (EGLM‐MHD) model, combined with the high‐temperature thermodynamic and transport model, is employed to simulate the characteristics of the flow. The two‐dimensional axisymmetric calculation captures the generation, growth, and acceleration of the current sheet, and the process is completed in the first half period. The sheet is mainly comprised of lower ionization level ions in the front and higher level ions at the back, and the density is one order higher than that of the residual plasma on the coil surface. As the abscissa value of the sheet is larger than the decoupling distance, a reversed flow emerges, generating a backward impulse, and the negative velocity can be more than 15 km/s at peak intensity B₀ = 0.5 T. In the second 1/4 period, the magnetic field and current density distribute non‐linearly on the surface and regularly in the sheet, caused by the reversing of the changing rate of the magnetic field and the particles' radial diffusion. The results at different intensities show that, for the same coil size, the time at which the maximum velocity V_max appears is advanced as the intensity increases, and V_max can be greater than 20 km/s above 0.5 T.     

磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究

本文考察在径向电子数密度呈抛物形分布的情况下,外加稳恒磁场,射频通过螺旋波天线在等离子体中激发电磁波的传播性质.采用线性扰动波假设,数值求解Maxwell方程组,得到80—800 G(1 G=10-4T)磁场条件下等离子体中径向电、磁场强度及能量沉积密度的分布情形.计算结果表明,磁场增大(80→800G)时,螺旋波受到的阻尼较小,可深入等离子体传播;Trivelpiece-Gould(TG)波受到的阻尼增大,在等离子体-真空边界处衰减增强;整体的能量吸收向边界集中.磁感应强度小于100 G时,TG波可深入主等离子体区传播,等离子体径向能量吸收相对均匀.     

高通鸟笼线圈激发螺旋波等离子体特性研究

研制了高通鸟笼线圈,使用氩气作为工质气体对射频天线的工作性能进行了初步评估。利用COMSOL5.4模拟出了鸟笼天线在13.56MHz的工作频率下,电场和磁场呈线性极化分布。对鸟笼线圈进行了电路结构解剖,推导出了其谐振频率计算公式。利用热耦合红外测温仪测试了正常工作状态下的鸟笼线圈外表温度明显低于传统射频天线,电容器最高温度仅65.8°。使用光谱仪对螺旋波等离子体放电光谱特性进行诊断。通过朗缪尔探针诊断了不同压强和磁场强度下螺旋波等离子体密度,在1.0Pa、600Gs、射频功率700W条件下等离子体密度达到1.62×10¹⁸m^-3。诊断了正向功率和反向功率对应的等离子体密度,其与磁滞现象变化趋势雷同。测试了螺旋波等离子体的径向密度分布,其在轴心处密度达到最高。探究了无磁场条件下等离子体特性,其密度值不会发生大幅度跃迁,纵向磁场是引发螺旋波等离子体放电的关键因素,低压条件下有利于得到更低的电子温度,最低达到2.67eV。表明鸟笼线圈低热耗、高馈入的特性使其在激发大体积的高密度螺旋波等离子体方面具有明显优势,可以投入到下一阶段氢气螺旋波等离子体的激...     

Pulsed volume discharge with preionization in two-dimensional gasdynamic flow

The interaction between a pulsed volume discharge with preionization by ultraviolet radiation from plasma sheets and a gasdynamic flow with a known density distribution is studied experimentally. The complex quasi-two-dimensional flow that emerges after the diffraction of a plane shock wave by rectangular obstacles in the channel is experimentally studied and numerically simulated. The glow intensity fields for an unsteady gasdynamic flow are imaged for the first time when recording the plasma radiation from a pulsed discharge in the flow. Since the ionization duration is short (150–200 ns), the gas-flow structure does not change and the flow does not heat up in the glow time of the discharge plasma in the flow. Our images are compared with the reciprocal-density fields of the corresponding two-dimensional gas flow. The effects of gasdynamic structures on the discharge plasma redistribution in the flow are analyzed. The energy contribution is localized into low-density zones (vortices, rarefaction waves) and into regions of density jumps and significant density gradients. The discharge current from adjacent regions with low E/N is redistributed into these zones. Breakdown channels are formed along rarefaction waves, vortices, and discontinuity surfaces between high-electron-density regions.     

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.     

同轴枪正、负脉冲放电等离子体特性的对比

同轴枪脉冲放电产生的等离子体具有高速度、高密度的特点,在核聚变、空间推进、天体物理领域具有很高的应用价值.本文针对不同放电方式对等离子体特性的影响进行了理论实验研究,通过调换脉冲电源整流二极管的方向改变充电电流方向实现正、负脉冲放电,采用光学、电学、磁探针等诊断手段,研究了正、负脉冲放电产生的等离子体性能;通过高速相机观察到正脉冲等离子体的分团现象,使用了图像处理技术,量化对比了等离子体发光强度.结果表明在相同工作气压和放电电压下,负脉冲等离子体拥有更高的密度,流速稍小但性能趋稳;而正脉冲等离子体具有更高的射流速度,也易产生明显的分团现象,所得实验结果与理论分析相一致.     

Experiments on the propagation of plasma filaments

We investigate experimentally the motion and structure of isolated plasma filaments propagating through neutral gas. Plasma filaments, or "blobs," arise from turbulent fluctuations in a range of plasmas. Our experimental geometry is toroidally symmetric, and the blobs expand to a larger major radius under the influence of a vertical electric field. The electric field, which is caused by nabla B and curvature drifts in a 1/R magnetic field, is limited by collisional damping on the neutral gas. The blob's electrostatic potential structure and the resulting E x B flow field give rise to a vortex pair and a mushroom shape, which are consistent with nonlinear plasma simulations. We observe experimentally this characteristic mushroom shape for the first time. We also find that the blob propagation velocity is inversely proportional to the neutral density and decreases with time as the blob cools.     

大气压直流激励空气等离子体羽发光的时空演化

在针-针电极结构的放电装置中以环境空气作为工作气体,大气压下产生了刷形等离子体羽。尽管使用的是直流电源,但放电发光呈现出脉冲性质,发光脉冲频率几乎不受气体流速的影响,但与电源输出功率成正相关关系。等离子体羽的长度与气体流速或者电源功率成正相关关系。通道出口附近,777.4 nm的氧原子谱线强度分布是非对称的,阴极附近处的谱线强度高于阳极附近处的谱线强度。远离通道出口位置,谱线强度逐渐趋于轴对称分布。电学特性和10 μs曝光高速影像结果表明,空气等离子体羽实际上是由拱形放电丝在远离通道出口的运动过程中叠加而成,同时放电从弧光放电丝向均匀辉光放电转化。     

电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流     

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.