真空放電中磁場(chǎng)對等離子體生成特性的影響

　　本文針對錐-筒、錐-螺旋電極結構，通過(guò)Ansoft Maxwell 3D 電磁場(chǎng)仿真軟件，分析了放電時(shí)，兩種電極內部的電場(chǎng)分布與磁場(chǎng)分布。通過(guò)朗繆爾探針?lè )�，對真空放電生成的等離子體參數進(jìn)行了測量，重點(diǎn)討論了電極內部磁場(chǎng)對等離子體生成密度的影響。在上述討論的基礎上，針對錐-螺旋電極，進(jìn)一步分析了螺旋電極的螺距對電極間的電磁場(chǎng)分布及等離子體生成和傳播特性的影響。

　　實(shí)驗及仿真結果表明，錐-螺旋電極較傳統的錐-筒電極，可以獲得較高密度的金屬等離子體。放電電流在螺旋狀電極內部產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對向四周擴散的等離子體有一定的約束作用，適當減小螺旋電極的螺距，既可以增大陰極尖端的電場(chǎng)強度，同時(shí)可以有效增大螺旋電極內部的磁場(chǎng)強度，更易于在電極軸向獲得更高密度的等離子體。

　　真空放電實(shí)際上是真空環(huán)境中產(chǎn)生的金屬蒸汽弧放電現象。通過(guò)消耗陰極，電弧點(diǎn)火后會(huì )產(chǎn)生金屬蒸汽。蒸汽被部分離子化，這種金屬等離子體具有很高的能量，具有獨特的性質(zhì)。利用離子噴射產(chǎn)生的動(dòng)能，真空放電等離子體被應用于很多領(lǐng)域。應用于離子注入技術(shù)，它可以改變物體表面的組織結構，提高耐磨性和耐腐蝕性等物理化學(xué)性質(zhì)。應用于宇宙空間微小衛星推進(jìn)系統中，可以利用電極產(chǎn)生的金屬等離子體作為推進(jìn)器的動(dòng)力源。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為這種等離子體推進(jìn)器與傳統的化學(xué)推進(jìn)器相比，具有質(zhì)量輕，體積小，效率高等特點(diǎn)。

　　本文結合前期研究成果，在錐- 筒電極的基礎上，提出了一種錐- 螺旋狀放電電極。運用仿真與實(shí)驗相結合的方法，討論了兩種放電電極間的電磁場(chǎng)分布及其對等離子體生成特性的影響，并重點(diǎn)分析了螺旋狀電極的螺距對等離子體生成和傳播特性的影響。

1、實(shí)驗裝置與測量系統

　　1.1、實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗裝置系統示意圖如圖1 所示。本實(shí)驗裝置采用由旋片式機械泵和油擴散泵組成的兩級排氣系統，實(shí)驗過(guò)程中真空室內真空度可以維持在10^-4 Pa。放電電極布置在真空室內，陰極為錐角60°的鉛質(zhì)電極，陽(yáng)極分別為螺旋形鋼質(zhì)電極與圓筒狀鋼質(zhì)電極。放電現象與實(shí)驗狀態(tài)可以通過(guò)分布在真空室兩側的觀(guān)察窗觀(guān)測到。本實(shí)驗采用單脈沖放電電源，主放電電路的工作原理圖如圖2 所示。220V 交流電壓，經(jīng)過(guò)升壓變壓器和倍壓整流電路后，給0.1μf 的電容C2 充電。觸發(fā)電路發(fā)出控制信號使球間隙導通后， 電容C2 通過(guò)160μH 電感、27Ω 電阻將負高壓施加到電極兩端，電極發(fā)生擊穿形成真空電弧進(jìn)行放電。該單脈沖電源電路的輸出電壓為0-20kV，放電電流幅值為100-300A，放電持續時(shí)間為13μs。

圖1 實(shí)驗裝置原理圖

圖2 放電電路原理圖

　　1.2、測量系統

　　本研究中，放電電壓采用直接測量的方式，將兩個(gè)高壓探頭分別放置在放電陰極和陽(yáng)極的接線(xiàn)端子上，測量陰極電壓波形和陽(yáng)極電壓波形，通過(guò)示波器兩通道波形相減的方法測得最終的放電電壓。放電電壓波形如圖3 所示。高壓放電電路電流的測量采用分流器原理，在放電陽(yáng)極和地之間串聯(lián)一個(gè)1Ω 的測量電阻，實(shí)驗中采用一個(gè)75Ω 的高頻同軸電纜將分流器與測量?jì)x器連接起來(lái)。所測得的放電電流波形如圖4 所示。

圖3 擊穿電壓波形　圖4 放電電流波形

　　等離子體參數的測量則采用朗繆爾探針?lè )�。由于脈沖放電產(chǎn)生等離子體是瞬態(tài)過(guò)程，探針上施加一定正電壓，可以檢測到隨時(shí)間變化的電子電流波形，如圖5 所示。改變探針電壓值，在每一個(gè)電壓下進(jìn)行多次放電，讀取電子電流的峰值并求其平均值作為最終測量結果。不斷改變探針電壓，測得如圖6 所示的探針電壓的V-I 特性曲線(xiàn)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為通過(guò)特性曲線(xiàn)可以分析探針周?chē)�等離子體的電子密度、電子溫度、空間電位等參數。

圖5 電子電流波形　圖6 V-I 特性曲線(xiàn)

2、結論

　　本文針對錐- 筒、錐- 螺旋電極結構，通過(guò)實(shí)驗與仿真相結合的方法，分析了放電電極內部的電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布及其對等離子體密度的影響，重點(diǎn)針對螺旋狀電極研究了電極螺距對電極間磁場(chǎng)分布和等離子體生成及傳播特性的影響。

　　(1)電極結構對等離子體的生成特性有重要影響。放電電路初始儲能相同時(shí)，錐- 螺旋電極結構比錐- 筒電極結構可以獲得更高密度的金屬等離子體。

　　(2)螺旋狀電極的內部磁場(chǎng)對等離子體的生成特性有一定影響。適當減小螺旋電極的螺距，既可以增大陰極尖端的電場(chǎng)強度，同時(shí)也可以增大螺旋電極內部的磁場(chǎng)強度，有效減少等離子體向四周的擴散，在電極軸向獲得更大密度的金屬等離子體。

　　(3)本文提出的錐- 螺旋狀電極結構，可以在軸向獲得高密度、高能量的金屬等離子體。這些具有高能量、高密度金屬等離子體的獲得，對于等離子體推進(jìn)器推力系統的性能改善、提高等離子體推進(jìn)器的工作效率具有一定的意義。