真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京交通大学,电气工程学院 作者:窦志军

  本文针对锥-筒、锥-螺旋电极结构,通过Ansoft Maxwell 3D 电磁场仿真软件,分析了放电时,两种电极内部的电场分布与磁场分布。通过朗缪尔探针法,对真空放电生成的等离子体参数进行了测量,重点讨论了电极内部磁场对等离子体生成密度的影响。在上述讨论的基础上,针对锥-螺旋电极,进一步分析了螺旋电极的螺距对电极间的电磁场分布及等离子体生成和传播特性的影响。

  实验及仿真结果表明,锥-螺旋电极较传统的锥-筒电极,可以获得较高密度的金属等离子体。放电电流在螺旋状电极内部产生的磁场,对向四周扩散的等离子体有一定的约束作用,适当减小螺旋电极的螺距,既可以增大阴极尖端的电场强度,同时可以有效增大螺旋电极内部的磁场强度,更易于在电极轴向获得更高密度的等离子体。

  真空放电实际上是真空环境中产生的金属蒸汽弧放电现象。通过消耗阴极,电弧点火后会产生金属蒸汽。蒸汽被部分离子化,这种金属等离子体具有很高的能量,具有独特的性质。利用离子喷射产生的动能,真空放电等离子体被应用于很多领域。应用于离子注入技术,它可以改变物体表面的组织结构,提高耐磨性和耐腐蚀性等物理化学性质。应用于宇宙空间微小卫星推进系统中,可以利用电极产生的金属等离子体作为推进器的动力源。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这种等离子体推进器与传统的化学推进器相比,具有质量轻,体积小,效率高等特点。

  本文结合前期研究成果,在锥- 筒电极的基础上,提出了一种锥- 螺旋状放电电极。运用仿真与实验相结合的方法,讨论了两种放电电极间的电磁场分布及其对等离子体生成特性的影响,并重点分析了螺旋状电极的螺距对等离子体生成和传播特性的影响。

1、实验装置与测量系统

  1.1、实验装置

  实验装置系统示意图如图1 所示。本实验装置采用由旋片式机械泵油扩散泵组成的两级排气系统,实验过程中真空室内真空度可以维持在10-4 Pa。放电电极布置在真空室内,阴极为锥角60°的铅质电极,阳极分别为螺旋形钢质电极与圆筒状钢质电极。放电现象与实验状态可以通过分布在真空室两侧的观察窗观测到。本实验采用单脉冲放电电源,主放电电路的工作原理图如图2 所示。220V 交流电压,经过升压变压器和倍压整流电路后,给0.1μf 的电容C2 充电。触发电路发出控制信号使球间隙导通后, 电容C2 通过160μH 电感、27Ω 电阻将负高压施加到电极两端,电极发生击穿形成真空电弧进行放电。该单脉冲电源电路的输出电压为0-20kV,放电电流幅值为100-300A,放电持续时间为13μs。

真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响

图1 实验装置原理图

 真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响

图2 放电电路原理图

  1.2、测量系统

  本研究中,放电电压采用直接测量的方式,将两个高压探头分别放置在放电阴极和阳极的接线端子上,测量阴极电压波形和阳极电压波形,通过示波器两通道波形相减的方法测得最终的放电电压。放电电压波形如图3 所示。高压放电电路电流的测量采用分流器原理,在放电阳极和地之间串联一个1Ω 的测量电阻,实验中采用一个75Ω 的高频同轴电缆将分流器与测量仪器连接起来。所测得的放电电流波形如图4 所示。

真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响

图3 击穿电压波形 图4 放电电流波形

  等离子体参数的测量则采用朗缪尔探针法。由于脉冲放电产生等离子体是瞬态过程,探针上施加一定正电压,可以检测到随时间变化的电子电流波形,如图5 所示。改变探针电压值,在每一个电压下进行多次放电,读取电子电流的峰值并求其平均值作为最终测量结果。不断改变探针电压,测得如图6 所示的探针电压的V-I 特性曲线。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为通过特性曲线可以分析探针周围等离子体的电子密度、电子温度、空间电位等参数。

真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响

图5 电子电流波形 图6 V-I 特性曲线

2、结论

  本文针对锥- 筒、锥- 螺旋电极结构,通过实验与仿真相结合的方法,分析了放电电极内部的电场与磁场分布及其对等离子体密度的影响,重点针对螺旋状电极研究了电极螺距对电极间磁场分布和等离子体生成及传播特性的影响。

  (1)电极结构对等离子体的生成特性有重要影响。放电电路初始储能相同时,锥- 螺旋电极结构比锥- 筒电极结构可以获得更高密度的金属等离子体。

  (2)螺旋状电极的内部磁场对等离子体的生成特性有一定影响。适当减小螺旋电极的螺距,既可以增大阴极尖端的电场强度,同时也可以增大螺旋电极内部的磁场强度,有效减少等离子体向四周的扩散,在电极轴向获得更大密度的金属等离子体。

  (3)本文提出的锥- 螺旋状电极结构,可以在轴向获得高密度、高能量的金属等离子体。这些具有高能量、高密度金属等离子体的获得,对于等离子体推进器推力系统的性能改善、提高等离子体推进器的工作效率具有一定的意义。

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