同軸槍脈沖放電等離子體輸運過程中密度變化的實驗研究

楊亮 張俊龍 閆慧杰 滑躍 任春生

(大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,三束材料改性教育部重點實驗室,大連 116024)

同軸槍脈沖放電等離子體輸運過程中密度變化的實驗研究

楊亮 張俊龍 閆慧杰 滑躍 任春生?

(大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,三束材料改性教育部重點實驗室,大連 116024)

(2016年8月27日收到;2016年12月7日收到修改稿)

同軸槍放電等離子體具有密度高、輸運速度快等特點,在核物理、航天工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為國際前沿研究熱點.同軸槍中的等離子體密度是反映其應(yīng)用特性的重要參數(shù)之一,因此等離子體密度在輸運過程中的變化對理論研究和實際應(yīng)用都具有重要意義.利用發(fā)射光譜法測量了Hβ譜線的Stark展寬,從而計算出同軸槍放電等離子體密度在輸運過程中的變化.結(jié)果顯示,當(dāng)電源注入能量為1.08 kJ、同軸槍內(nèi)空氣氣壓為4.0 Pa時,等離子體密度在輸運過程中不斷增加;相同能量注入條件下,當(dāng)同軸槍內(nèi)空氣氣壓增加至10 Pa時,等離子體密度在輸運過程中出現(xiàn)了先增加后減小的趨勢;當(dāng)電源的注入能量達(dá)到7.68 kJ時,等離子體密度在10 Pa氣壓條件下輸運時也出現(xiàn)了一直增加的現(xiàn)象.此外,當(dāng)同軸槍內(nèi)的工作氣體變?yōu)闅鍤鈺r,在注入能量為1.08 kJ、槍內(nèi)氣壓4.0 Pa條件下,等離子體密度在輸運過程中一直減小.

同軸槍,等離子體密度,Stark展寬

1 引 言

同軸槍通常是由兩個同軸電極組成(一個實心圓柱陽極和一個空心圓柱陰極),它通過兩電極間瞬時的強(qiáng)放電產(chǎn)生一個磁化的高密度等離子體團(tuán),該等離子體團(tuán)在電流流過同軸槍時產(chǎn)生的洛倫茲力作用下被加速,很容易達(dá)到幾千米每秒甚至幾十千米每秒的速度噴射出去[1?3].由于其高密度、高輸運速度等特點[1,4?10],已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于聚變裝置[2,11,12],等離子體空間推進(jìn)[13?16]、磁約束核聚變中的再燃[17,18]、塵埃粒子加速[1,4,19?21]以及空間微小碎片超高速撞擊的實驗?zāi)M研究[3,22]中.

在同軸槍放電等離子體的研究中,等離子體密度與輸運速度是非常重要的研究內(nèi)容.在我們前期開展的研究工作中,對同軸槍放電等離子體的軸向輸運速度及其影響因素進(jìn)行了研究[23],而放電等離子體密度及其隨輸運過程的變化是另一個重要參數(shù),不僅決定著放電等離子體應(yīng)用的物理、化學(xué)過程,而且在很大程度上決定著其應(yīng)用特性.所以,研究同軸槍放電中的等離子體密度及變化具有非常重要的意義.

目前等離子體密度診斷所采用的方法主要有微波法、Thomson散射法、Langmuir探針法以及光譜法[1,4,24?31].微波法和Thomson散射法[25,26]的操作較為復(fù)雜,實際中通常采用Langmuir探針法和光譜法.Langmuir探針法需要測量等離子體的伏安特性[27,28],但由于探針直接與等離子體相接觸,很容易對等離子體造成干擾,而且探針暴露于強(qiáng)電離環(huán)境下也很容易損壞(尤其對于高密度、高能量密度等離子體環(huán)境).相比于探針法,發(fā)射光譜技術(shù)診斷等離子體密度具有操作簡單、選擇性好、靈敏度和準(zhǔn)確度高以及對等離子體本身無干擾等特點,此外,該技術(shù)不僅能實現(xiàn)原位診斷,而且能夠得到時間及空間分辨信息,所以被廣泛應(yīng)用于等離子體的診斷中.Ticos等[1,4]利用Dα的Stark展寬效應(yīng)測量了同軸槍放電等離子體塵埃粒子加速中的等離子體密度,Witherspoon等[31]測量了裝置放電時的Hβ譜線寬度進(jìn)而得到了等離子體密度.然而,在以往諸多的實驗研究中,對等離子體密度的測量往往集中于某一特定位置,而對同軸槍放電等離子體密度在輸運過程中的變化特性的研究相對較少.事實上,由于雪犁模型(等離子體在輸運過程中,不僅會繼續(xù)電離與其接觸的中性粒子,而且會推著電離后的粒子一起加速)[32?34]的提出,等離子體的密度在輸運過程中是變化的,而且該變化能夠決定其裝置的應(yīng)用特性,所以研究同軸槍放電等離子體密度在輸運過程中的變化是十分必要的.基于此,本文利用Hβ譜線Stark展寬效應(yīng)研究了等離子體密度及其在輸運過程中的變化特性,對不同放電條件(不同的放電氣體和壓強(qiáng))下等離子體密度及其在輸運過程中的變化特性也做了比較詳細(xì)的對比研究.

2 實驗裝置

實驗研究裝置如圖1所示,主要由真空腔、供電系統(tǒng)、同軸放電槍、輸運通道以及觀察窗口組成.真空腔(圖1左側(cè)球形裝置)為外徑55 cm的空心圓柱體,通過一個組合真空機(jī)組得到本底真空水平為10?3Pa.供電系統(tǒng)通過一個幅值可調(diào)電源給240μF的電容器充電,再通過點火開關(guān)將幾千伏(最大值10 kV)的電壓供給同軸放電槍,可以得到瞬時幾千甚至幾萬安培峰值的放電電流.同軸放電槍由兩個電極組成,一個是同軸槍陽極(直徑2.0 cm,長24 cm的實心銅棒),另一個是同軸槍陰極(內(nèi)徑8 cm,厚度0.3 cm,長24 cm的不銹鋼空心圓柱),陽極與陰極之間用一厚3.0 cm、長4.0 cm的尼龍介質(zhì)隔離,所以放電時等離子體的實際加速距離為20 cm.將同軸放電槍置入輸運通道(內(nèi)徑14.6 cm,長85 cm的不銹鋼空心圓柱)內(nèi),中間用一層3.0 cm厚的聚四氟乙烯材料隔離,該輸運通道與真空腔連接在一起.同時,在輸運通道處設(shè)置一長24 cm、寬10 cm的石英玻璃觀察窗,同軸放電槍輸出端面與觀察窗口的距離約為6.0 cm.觀察窗口設(shè)有A,B,C三個光譜采集點,用于測量等離子體在輸運過程中的密度變化.同時,在該三點處采用快速響應(yīng)高量子效率的光電倍增管(P30A-05)測量放電等離子體發(fā)光信號,以光信號的時間差以及兩個光電倍增管的距離來計算放電等離子體的軸向輸運速度.三個采集點與同軸槍輸出端面的距離分別為8,17,26 cm.采用Acton SpectraPro 2500i型光柵光譜儀測量Hβ譜線并計算其展寬,所選光柵的密度為1200 line/mm.由于同軸槍脈沖放電時間短,產(chǎn)生的等離子體輸運速度很快,所以測量時將光譜儀的積分時間設(shè)置為3.0 s,以保證可以采集到等離子體的發(fā)光光譜.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)實驗裝置示意圖Fig.1.(color online)Experimental setup.

電信號測量回路及原理如圖2所示,電壓與電流信號分別用Tektronix高壓探頭與Pearson電流探頭測得并輸入高存儲容量數(shù)字示波器(Tektronix DPO 4104)進(jìn)行記錄與分析.高壓探頭置于同軸槍高壓陽極端,Pearson電流探頭置于接地陰極端.實驗過程中,首先需要給電容器兩端充電,充電后的電容器儲存大量的電能,而后通過高壓開關(guān)閉合瞬時供給同軸放電槍使槍內(nèi)氣體擊穿,產(chǎn)生放電等離子體.由于流過同軸槍陽極的軸向電流感生出很強(qiáng)的方位角磁場B,該磁場與放電時的徑向電流J相互作用,形成軸向的洛倫茲力F(F=J×B),該洛倫茲力能使等離子體沿著軸向運動,從而形成沿著軸向輸運的等離子體.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)實驗測量原理圖Fig.2.(color online)Schematic of experimental measurement principle.

3 結(jié)果與討論

3.1 放電特性

選用電源注入能量為1.08 kJ(電容器兩端電壓達(dá)到3.0 kV),空氣氣壓4.0 Pa作為放電條件,可得到圖3所示電壓、電流及光電流波形圖.從圖中可以看出,當(dāng)電源注入能量為1.08 kJ時,放電電流達(dá)到8.5 kA,電流波形很明顯地呈現(xiàn)出多次放電特性,多次放電特性能夠同時從等離子體光電流信號中得到證實.對比電流波形與光電流波形可以看出,電流波形的每一個波峰與波谷分別對應(yīng)一個光信號的波峰,且光信號在經(jīng)過A,B,C三點時依次出現(xiàn)一個峰值,這就證明確實有多次放電發(fā)生且等離子體在運動.多次放電的原因是電源電路阻抗不匹配,即電源電路中不同電容、電感、電阻回路產(chǎn)生的RLC振蕩相互影響,最后在電極間形成多次擊穿而引起多次放電[21,23,24].

觀察光電流波形,發(fā)現(xiàn)其信號具有一定的寬度,這是因為同軸槍內(nèi)噴射出的等離子體有一定的體積(通常稱等離子體團(tuán)[6,7,12])且在輸運時會在一定的時間段內(nèi)一直出現(xiàn)在光信號接收口的前端.此外,對應(yīng)一次放電等離子體的光信號均出現(xiàn)兩個波峰,通常認(rèn)為Blow-by不穩(wěn)定性是造成該現(xiàn)象的原因[31,35].Blow-by不穩(wěn)定性來源于徑向磁壓分布的不均勻性,如果放電腔室內(nèi)的放電電流層最初為徑向均勻的密度和厚度分布,它沿著內(nèi)電極的加速度會高于沿外電極的加速度(靠近內(nèi)電極的磁場較強(qiáng),受到的洛倫茲力較大,而靠近外電極的磁場相對較弱,受到洛倫茲力較小).該加速度的差異會使載流等離子體產(chǎn)生向后的傾斜,傾斜的電流層會產(chǎn)生一個大的軸向電流分量,進(jìn)而形成一個徑向的洛倫茲力.該洛倫茲力使越來越多的等離子體向低速區(qū)轉(zhuǎn)移,便會在靠近內(nèi)電極處出現(xiàn)一塊質(zhì)量較小但速度很快的等離子體團(tuán),而靠近外電極處出現(xiàn)一塊質(zhì)量較大但速度較慢的等離子體團(tuán),正如圖3中A,B處測量的光電流信號中首先出現(xiàn)一個寬度較小的波峰,而后出現(xiàn)一個寬度較大的波峰.

從A,B,C處測量的光電流信號還可以看出光信號的寬度在輸運過程中逐漸變窄,這說明等離子體團(tuán)在輸運過程中逐漸壓縮.另外,三個光電流的時間間隔分別為9.3μs和11.7μs,A與B,B與C之間的距離均為9 cm,由此可以計算出等離子體團(tuán)在A與B間的輸運速度約為9.7 km/s,而在B與C間的輸運速度約為7.7 km/s.可以看出等離子體團(tuán)在輸運過程中是減速的.導(dǎo)致等離子體團(tuán)速度減慢的原因主要是雪犁電離模型[32?34].從雪犁模型的基本假設(shè)可知,初始時刻等離子體受洛倫茲力作用開始加速運動,但在輸運過程中,等離子體中的高能電子會電離部分中性氣體分子并拖拽被電離的中性氣體分子一起運動,致使等離子體的質(zhì)量在輸運過程中不斷增大.根據(jù)動量守恒定律,被拖拽電離粒子運動的動量與等離子體減少的動量是相等的,所以等離子體軸向速度在輸運過程中逐漸減慢.事實上,同軸槍放電等離子體均會經(jīng)過一個先加速后減速的過程[36?38],因為在等離子體最初的加速過程中,等離子體的質(zhì)量m和速度v都是變化量,與洛倫茲力F滿足沖量定理,即(t為時間),在電流上升階段,洛倫茲力單調(diào)增加,等離子體的質(zhì)量和速度都隨之增大;在電流達(dá)到峰值并開始下降時,洛倫茲力也按照類似的趨勢達(dá)到極大并開始衰減,而等離子體質(zhì)量又是單調(diào)增大的,因此洛倫茲力F不足以維持質(zhì)量遞增的等離子體高速運動只能通過來反向補(bǔ)償,因此等離子體的速度v開始減小.一般該過程發(fā)生在同軸槍內(nèi)部,而在同軸槍外部,由于洛倫茲力消失,輸運過程中的等離子體速度應(yīng)該是逐漸減小的.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)同軸槍在注入能量為1.08 kJ,空氣氣壓為4.0 Pa放電條件下的電壓、電流及光電流波形圖Fig.3.(color online)Voltage,current and photomultiplier acquired signal waveform for coaxial gun discharge in air with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 4.0 Pa.

圖4(a)所示為電源注入能量為1.08 kJ,空氣氣壓為10 Pa條件下的電壓、電流波形圖.從圖中可以看出,與相同注入能量下4.0 Pa時的空氣放電相比,空氣氣壓為10 Pa時產(chǎn)生的放電電流更大,其峰值可達(dá)10 kA以上.圖4(b)為電源注入能量為1.08 kJ、氬氣氣壓為4.0 Pa時的放電電壓、電流波形圖,與空氣放電相比,氬氣放電電流變大,放電擊穿電壓變低.圖4中的放電特性為下一步解釋等離子體團(tuán)在不同工作氣體條件下等離子體密度及其隨輸運距離的變化特性提供了依據(jù).

圖4 (網(wǎng)刊彩色)同軸槍在(a)空氣,注入能量為1.08 kJ,氣壓為10 Pa和(b)氬氣,注入能量為1.08 kJ,氣壓為4.0 Pa放電條件下的電壓、電流波形圖Fig.4.(color online)Voltage and current waveforms for coaxial gun discharge in(a)air with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 10 Pa and(b)argon with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 4.0 Pa.

3.2 光譜學(xué)診斷

譜線的展寬一般有自然展寬(?λnat)、共振展寬(?λrev)、van der Waals展寬(?λvan)、Stark展寬(?λStark)、多普勒展寬(?λDoppler)和儀器展寬(?λInstrument)[39,40].前四種展寬為洛倫茲線型,多普勒展寬為高斯線型,而儀器展寬的線型取決于儀器本身.實驗使用的光譜儀通過測量得出的是高斯線型,所以高斯線型的總展寬(?λG)由儀器展寬和多普勒展寬組成[29,39,40],由此,可以得出,

式中的儀器展寬可由He-Ne激光器中心波長為632.80 nm的譜線測出,實驗中測量的儀器展寬為0.0989 nm.多普勒展寬計算公式為

式中λ0為對應(yīng)的吸收峰值,Tg為氣體溫度(單位:K),A為氣體的相對分子質(zhì)量[29,30,39].

由于儀器展寬屬于高斯展寬(?λG),而Stark展寬屬于洛倫茲展寬(?λL),在實驗中所采集到的Hβ譜線,既有均勻展寬(洛倫茲展寬),也有非均勻展寬(高斯展寬),所以實驗所得到譜線的線型為佛克脫線型.在由均勻展寬和非均勻展寬共同導(dǎo)致的佛克脫線型中,洛倫茲線型展寬、高斯線型展寬和總的佛克脫線型展寬之間的關(guān)系為[40]

式中的?λv為佛克脫線型展寬寬度.在該實驗條件下(通常是幾帕水平),自然展寬、共振展寬和van der Waals展寬可以忽略不計,所以洛倫茲線型展寬主要為Stark展寬,可將洛倫茲展寬近似當(dāng)作Stark展寬,具體值為

而等離子體密度ne(單位:cm?3)與Stark展寬寬度的關(guān)系為[30,39]

(4)式中,?λv可以通過擬合實驗所測Hβ譜線得到.而對于高斯展寬,可以通過(1)式得出.但是,在一些文獻(xiàn)中[1,4],即使同軸槍放電電流達(dá)200 kA,離子溫度為2.8 eV時(此時的多普勒展寬約為0.06 nm),在計算等離子體密度時多普勒展寬也未被計算在內(nèi).本實驗中,同軸槍放電電流在10 kA左右,產(chǎn)生的離子溫度小于2.8 eV,而氣體溫度低于離子溫度,所以,本實驗的多普勒展寬應(yīng)小于0.06 nm,該展寬的寬度遠(yuǎn)小于本實驗中的最小Stark展寬0.2186 nm,通過(1)式的計算關(guān)系可以得出,該展寬的寬度對高斯展寬寬度的影響很小.

因此,多普勒展寬在本實驗中亦可以忽略,即高斯展寬就是儀器展寬.

該實驗在觀察窗口B處測量的光譜如圖5所示,其中可以明顯看到486.13 nm處的Hβ譜線,該展寬為佛克脫線型展寬.圖6是將圖5中的Hβ譜線展開,同時對其進(jìn)行線型擬合,得到了展寬為0.2949 nm的佛克脫線型展寬寬度,高斯展寬為0.0989 nm,這時由(4)式可得Stark展寬為0.2617 nm,進(jìn)而計算出B處的等離子體密度為1.5×1015cm?3.

圖5 同軸槍在注入能量為1.08 kJ、空氣氣壓為4.0 Pa放電條件下觀察窗口B處的Hβ光譜譜線Fig.5.Spectrum of Hβ-region measured at the position B for coaxial gun discharge in air with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 4.0 Pa.

圖6 同軸槍在注入能量為1.08 kJ、空氣氣壓為4.0 Pa放電條件下觀察窗口B處Hβ譜線的擬合Fig.6.Fitting of Hβ-line measured at the position B for coaxial gun discharge in air with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 4.0 Pa.

3.3 注入能量為1.08 kJ、氣壓為4.0 Pa空氣條件下等離子體團(tuán)在輸運過程中的密度變化

圖7所示為等離子體團(tuán)在注入能量為1.08 kJ、氣壓為4.0 Pa空氣條件下輸運經(jīng)過A,B,C三點時測量的Hβ譜線展寬.對該展寬進(jìn)行歸一化處理,歸一化后的佛克脫線型展寬寬度分別為0.2567,0.2949,0.3132 nm,經(jīng)過(4)式得到Stark展寬寬度分別為0.2186,0.2617,0.2820 nm,從而計算出A,B,C三點處的等離子體團(tuán)密度分別為1.14×1015,1.5×1015,1.68×1015cm?3.由此可以看出,等離子體團(tuán)的密度在輸運過程中會逐漸增大.由雪犁模型可知[32?34],等離子體團(tuán)在輸運過程中會將一部分能量轉(zhuǎn)移到與其接觸的中性粒子薄層中,從而將中性粒子電離,并推著被電離的粒子運動.此外,由于等離子體團(tuán)的速度非常高,且剛被電離的帶電粒子在軸向方向并沒有定向速度,后面的高速等離子體團(tuán)將其加速的過程中也會存在一種堆積效應(yīng),使帶電粒子聚集,產(chǎn)生碰撞等離子體激波[38],該激波沿軸向傳播使等離子體團(tuán)逐漸被壓縮,等離子體團(tuán)密度在輸運過程中升高,這是一個既電離又壓縮的過程.但是,等離子體團(tuán)在電離前面的中性粒子時會不斷地消耗其能量,且等離子體團(tuán)的能量在輸運過程中也會因自身的淬滅而不斷降低,即等離子體團(tuán)在輸運過程中的能量會逐漸減小,其電離能力也會逐漸減弱.這也就解釋了為什么上述實驗中等離子體團(tuán)在B—C段增加的密度小于其在A—B段增加的密度,即密度增長變緩慢的原因.

事實上,圖3中的光電流波形能很好地驗證等離子體團(tuán)在輸運過程中存在的壓縮效應(yīng),并且能夠解釋等離子體團(tuán)在輸運過程中減速的原因.圖中的光電流波形是同一等離子體團(tuán)經(jīng)過A,B,C三點時光電倍增管測量得到的光電流波形.通過比較這三處的光電流波形可看出,光電流的波峰在輸運過程中逐漸變窄變高.光電流的波峰變窄說明等離子體團(tuán)的體積縮小(等離子體團(tuán)被壓縮),強(qiáng)度增強(qiáng)說明等離子體團(tuán)的聚集程度升高,這應(yīng)該是一個明顯的聚集過程,且該過程可能也是等離子體碰撞激波形成的過程.此外,根據(jù)雪犁模型描述,等離子體團(tuán)在輸運過程中的質(zhì)量會增加,而圖3中的光電流可以明顯看出等離子體團(tuán)在輸運過程中逐漸被壓縮,進(jìn)而使等離子體團(tuán)的體積逐漸減小,因此,等離子體團(tuán)密度增加.同時,由于等離子體團(tuán)質(zhì)量增大且被壓縮的緣故,可能會形成等離子體碰撞激波,從而使等離子體團(tuán)在輸運過程中的速度逐漸減小.

圖7 同軸槍在注入能量為1.08 kJ、空氣氣壓為4.0 Pa放電條件下觀察窗口A,B,C處測得的Hβ譜線展寬Fig.7.Broadenings of Hβ-lines measured at the positions A,B,C for coaxial gun discharge in air with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 4.0 Pa.

3.4 注入能量為1.08 kJ、氣壓為10 Pa空氣條件下等離子體團(tuán)在輸運過程中的密度變化

圖8所示為同軸槍內(nèi)空氣氣壓為10 Pa、注入能量為1.08 kJ時,在A,B,C三點處測量得到的佛克脫線型展寬(歸一化后),該展寬的寬度分別為0.3299,0.4001,0.3476 nm,Stark展寬寬度分別為0.3002,0.3757,0.3195 nm,計算出等離子體密度分別為1.84×1015,2.57×1015,2.02×1015cm?3.可以看出,該條件下放電產(chǎn)生的等離子體團(tuán)密度大于氣壓為4.0 Pa時的等離子體團(tuán)密度,并且該等離子體團(tuán)的密度在輸運過程中并不是一直增加的,而是先增加后減小的.事實上,當(dāng)氣壓升高后,同軸槍內(nèi)的粒子數(shù)密度增加,則相同電壓條件下放電會更強(qiáng)(圖4(a)),電離的粒子數(shù)會增加,等離子體團(tuán)的密度高于4.0 Pa時的等離子體團(tuán)密度.當(dāng)?shù)入x子體團(tuán)在洛倫茲力作用下向前運動時,等離子體團(tuán)就會一邊使氣體繼續(xù)電離,使等離子體團(tuán)密度提高,一邊不斷地消耗其能量,使其電離能力減弱.這意味著在一定條件下,當(dāng)?shù)入x子體團(tuán)的能量消耗到一定程度,即電離率低于淬滅率時,等離子體團(tuán)的密度便開始下降.通過該分析,不難解釋等離子體團(tuán)在10 Pa條件下輸運過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象.首先,在等離子體團(tuán)從A運動到B的過程中,等離子體團(tuán)密度增加,說明在該過程中等離子體團(tuán)的能量足夠高,可以繼續(xù)電離中性粒子.但當(dāng)?shù)入x子體團(tuán)從B運動到C時,等離子體團(tuán)密度減小,表明等離子體團(tuán)的電離率已經(jīng)小于其淬滅率.這意味著氣壓的增大會使等離子體團(tuán)在前進(jìn)的過程中能量消耗得更快.因為背景氣體粒子數(shù)密度的提高,使等離子體團(tuán)在經(jīng)過相同距離時需要電離更多的中性粒子,即等離子體團(tuán)的能量消耗更多,盡管在4.0 Pa時等離子體團(tuán)在輸運過程中密度在不斷增加,但是等離子體團(tuán)的密度不可能一直增加下去,只是相對氣壓為10 Pa時等離子體團(tuán)密度增加所持續(xù)的距離更長,而且恰好超過了觀察窗口的距離.

圖8 同軸槍在注入能量為1.08 kJ,空氣氣壓為10 Pa放電條件下觀察窗口A,B,C處測得的Hβ譜線展寬Fig.8.Broadenings of Hβ-lines measured at the positions A,B,C for coaxial gun discharge in air with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 10 Pa.

基于上述分析,可將等離子體團(tuán)的輸運過程分為兩個階段.在第一階段,等離子體團(tuán)的能量高,在輸運過程中會不斷電離中性粒子,使等離子體團(tuán)的密度逐漸升高,但與此同時,等離子體團(tuán)的能量在逐漸下降,即電離能力逐漸減弱.在第二階段,等離子體團(tuán)的能量已經(jīng)降低到其電離率小于淬滅率的水平,等離子體團(tuán)的密度會逐漸降低.第一階段與第二階段的臨界點是等離子體團(tuán)密度最大值出現(xiàn)的時刻.

3.5 注入能量為7.68 kJ、氣壓為10 Pa空氣條件下等離子體團(tuán)在輸運過程中的密度變化

為了進(jìn)一步分析上述同軸槍脈沖放電等離子體團(tuán)在輸運過程中的密度變化,實驗中將電源的注入能量增大到7.68 kJ(電容器兩端電壓達(dá)到8.0 kV),測量了空氣氣壓10 Pa條件下,等離子體團(tuán)輸運經(jīng)過A,B,C三點時的密度變化趨勢,如圖9所示.在A,B,C三點處測量得到的佛克脫線型展寬(歸一化后)寬度分別為0.49406,0.60367,0.66076 nm,并通過(4)式分別得到了0.4743,0.5875,0.646 nm的Stark展寬,從而計算出等離子體密度分別為3.65×1015,5.03×1015,5.81×1015cm?3.從該密度的變化趨勢可以看出,當(dāng)電源的注入能量增長至7.68 kJ時,等離子體團(tuán)的密度大于在1.08 kJ時的密度,且在輸運過A,B,C三點時又一次呈現(xiàn)出一直增加的趨勢.這是因為當(dāng)電源注入能量升高后,同軸槍內(nèi)的放電會更強(qiáng),使電離的粒子數(shù)增加,同時使等離子體團(tuán)具有更高的能量.該等離子體團(tuán)在輸運過程中也會發(fā)生雪犁電離,使等離子體團(tuán)的密度升高,能量不斷被損耗.但是,由于該等離子體團(tuán)初始能量高于注入能量為1.08 kJ時產(chǎn)生的等離子體團(tuán)能量,所以在輸運相同的距離時,即經(jīng)過A—B段后,仍具有很高的能量(很強(qiáng)的電離能力),導(dǎo)致該等離子體團(tuán)在經(jīng)過B—C段時能夠繼續(xù)電離中性粒子使等離子體團(tuán)的密度繼續(xù)增加.不過,等離子體團(tuán)在B—C段增加的密度小于其在A—B段增加的密度,即出現(xiàn)了密度增長變緩慢的趨勢,這與注入能量1.08 kJ、氣壓4.0 Pa時等離子體團(tuán)的密度變化趨勢是相同的,也說明等離子體團(tuán)的密度不能一直增加下去.從該結(jié)果可以看出,當(dāng)?shù)入x子體團(tuán)的初始能量足夠高時,等離子體團(tuán)的密度不僅會增加,電離能力也會增強(qiáng),并且該電離能力會維持更長的距離,使等離子體團(tuán)的密度在輸運經(jīng)過更長的距離時一直增加,也就是說,等離子體團(tuán)的密度及持續(xù)電離的能力都取決于等離子體團(tuán)最初所攜帶的能量.但是無論等離子體團(tuán)最初所攜帶的能量有多大,只要在輸運足夠遠(yuǎn)的距離后,便會達(dá)到電離率小于淬滅率的水平而密度開始減小.

圖9 同軸槍在注入能量為7.68 kJ、空氣氣壓為10 Pa放電條件下觀察窗口A,B,C處測得的Hβ譜線展寬Fig.9.Broadenings of Hβ-lines measured at the positions A,B,C for coaxial gun discharge in air with applied power energy of 7.68 kJ and pressure of 10 Pa.

3.6 注入能量為1.08 kJ、氣壓為4.0 Pa氬氣條件下等離子體團(tuán)在輸運過程中的密度變化

當(dāng)同軸槍在氬氣氣壓4.0 Pa、注入能量1.08 kJ條件下放電時,等離子體團(tuán)密度在輸運過程中的變化趨勢如圖10所示.從圖中所示佛克脫線型展寬可以看出,在相同氣壓4.0 Pa條件下,等離子體團(tuán)在輸運過程中的密度變化趨勢與空氣中明顯不同,即在空氣中密度逐漸增加,而在氬氣中逐漸減小.這意味著氬氣放電產(chǎn)生的等離子體在距離同軸槍很近的距離就發(fā)生了聚集現(xiàn)象.引起該現(xiàn)象的原因可能是氣體電離能的差異以及不同種類氣體放電中的反應(yīng).首先,從圖3和圖4(b)中的放電情況可知,相同條件下氬氣的放電強(qiáng)于空氣,這能很好地解釋為什么距離同軸槍最近的A點所測得的氬氣等離子體團(tuán)密度大于相同氣壓條件4.0 Pa時空氣中的等離子體團(tuán)密度(氬氣等離子體團(tuán)密度為1.75×1015cm?3,空氣等離子體團(tuán)密度為1.14×1015cm?3).此外,氬原子的電離能為15.7 eV,而作為空氣中主要成分的氮分子和氧分子的電離能分別為15.58 eV和12.22 eV[41],說明氬氣的電離能高于空氣的電離能.對于一定的等離子體電子能量分布函數(shù)而言,兩者(氬氣、空氣)電離能的差異可能會使等離子體團(tuán)不能繼續(xù)電離氬氣,但卻能使空氣繼續(xù)電離,從而導(dǎo)致等離子體團(tuán)密度在氬氣輸運中逐漸降低,而在空氣輸運中逐漸增大.也可能是由于氬氣電離能高,等離子體團(tuán)在輸運過程中更容易達(dá)到電離率小于淬滅率的水平,進(jìn)而使等離子體團(tuán)密度在輸運較短距離后便開始降低.反之,由于空氣的電離能低,輸運過程中消耗的能量較氬氣中低,所以需要更長的距離才能達(dá)到電離率小于淬滅率的水平,因而等離子體團(tuán)密度在更長的輸運距離中一直增加,本實驗中該距離超過了觀察窗口的距離.引起空氣等離子體團(tuán)密度在窗口觀察距離中一直增加的另一個原因也可能是解離反應(yīng)[42?44],e+N2→2N+e,e+O2→2O+e.

圖10 同軸槍在注入能量為1.08 kJ、氬氣氣壓為4.0 Pa放電條件下觀察窗口A,B,C處測得的Hβ譜線展寬Fig.10.Broadenings of Hβ-lines measured at the positions A,B,C for coaxial gun discharge in argon with applied power energy of 1.08 kJ and pressure of 4.0 Pa.

該反應(yīng)能夠使粒子數(shù)增加,且解離后氮、氧原子的電離能(分別為14.5和13.6 eV)[41]低于氬原子的電離能.因此,相比較氬氣等離子體團(tuán)輸運過程而言,空氣等離子體團(tuán)不僅仍具有較高的電離能力,而且因為電離了更多數(shù)量的原子而使密度不斷增加.

4 結(jié) 論

本文主要應(yīng)用Hβ譜線的Stark展寬法測量了同軸槍脈沖放電等離子體團(tuán)在輸運過程中的密度變化,并研究了不同參數(shù)下該密度的變化趨勢.結(jié)果發(fā)現(xiàn),等離子體團(tuán)在空氣中輸運時密度會隨著氣壓條件的不同而有差異,在低氣壓時密度一直增加,在高氣壓時密度先增加后減小.同時發(fā)現(xiàn),在高氣壓下如果提高電源注入能量,等離子體團(tuán)密度在輸運過程中也會一直增加.此外,當(dāng)氣壓與放電條件相同時,等離子體團(tuán)密度在氬氣中一直減小.這些現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可歸結(jié)為高速運動的等離子體團(tuán)既能繼續(xù)電離前方的中性粒子,又要消耗其自身能量的特性.不同的氣體密度、種類以及等離子體團(tuán)最初攜帶的能量都會導(dǎo)致輸運過程中能量損耗程度的不同,從而使不同參數(shù)下等離子體團(tuán)密度最大值出現(xiàn)的位置有了很大的差異.該實驗結(jié)果中聚集現(xiàn)象的出現(xiàn)表明了等離子體團(tuán)在輸運過程中的物理特性,這些研究加深了我們對同軸槍放電等離子體輸運過程特性的認(rèn)識與了解.

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PACS:52.80.Vp,94.20.Fg,32.60.+i DOI:10.7498/aps.66.055203

Experimental study on coaxial gun pulse discharge plasma density change in transport process

Yang Liang Zhang Jun-Long Yan Hui-Jie Hua Yue Ren Chun-Sheng?

(Key Laboratory of Materials Modification by Laser,Ion and Electron Beams of the Ministry of Education,School of Physics and
Optoelectronic Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

27 August 2016;revised manuscript

7 December 2016)

Coaxial gun discharge plasma with high density and velocity has a number of potential applications in fusion energy,plasma refueling,disruption mitigation in tokamaks,plasma space propulsion,acceleration of dust particles to hypervelocity etc.,and thus has become an important research topic in fields of nuclear physics and aerospace engineering.In this paper,we report the experimental investigation on electrical and transport characteristics of coaxial gun discharge plasma.Based on electrical and optical diagnoses,the discharge voltage,discharge current and axial velocity of plasma transport are measured.Meanwhile,the emission spectrum technology is employed to measure the Stark broadening of Hβspectral line and then plasma density is calculated.The experimental results show that the discharges in the coaxial gun present a feature of multiple discharges and blow-by instability phenomena are observed by photomultiplier acquired signals.In addition,the plasma velocity and density in the transport process are not constant.It is found that the axial plasma velocity in the transport process decreases due to mass gain caused by the snowplow model and the change tendency of plasma density in the transport process is dependent on various settings.A systematic study has been carried out for exploring plasma density change in transport process,and different experimental parameters are adopted in order to further analyze the physical mechanism of plasma density change in transport process.When the air pressure in the coaxial gun is changed from 4.0 Pa to 10 Pa,for 1.08 kJ applied power energy,an obvious difference appears in transport properties of plasma density,i.e.,plasma density increases gradually in 4.0 Pa air while it increasesfirst and then decreases in 10 Pa air.However,the plasma density increases continually in air pressure of 10 Pa when the power energy is increased to 7.68 kJ.Moreover,when the working gas is replaced with argon and discharge setting is 4.0 Pa pressure and 1.08 kJ applied power energy,the plasma density decreases continually in the transport process.The distinct behaviors,as analyzed,are mainly caused by plasma energy transformation difference in the transport process.As it is known,the plasma movement at high velocity in coaxial guns can ionize neutral particles and consume its energy,which results in the increasing plasma density and the decreasing electron and ion temperatures in the transport process.Then,a maximum density is present in the transport process when the electron and ion temperatures are lower than that at which gas ionization occurs.The axial location of maximum density changes with applied power energy,working gas pressure and species,which means that plasma energy transformation and density change properties in transport process strongly rely on different external parameters.The study provides some insight into how to better apply the coaxial gun discharge plasma to practical engineering field.

coaxial gun,plasma density,Stark broadening

PACS:52.80.Vp,94.20.Fg,32.60.+i

10.7498/aps.66.055203

?通信作者.E-mail:rchsh@dlut.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:rchsh@dlut.edu.cn