工作參數(shù)對平行軌道加速器放電模式的影響*

劉帥 史宇昊 林天煜 張永鵬 路志建 楊蘭均

(西安交通大學(xué), 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室, 西安 710049)

(2021 年3 月12 日收到; 2021 年6 月5 日收到修改稿)

1 引 言

電磁等離子體加速器產(chǎn)生的高密度高速度等離子體射流, 可應(yīng)用于空間推進(jìn)[1]、邊緣局域模(ELM) 的模擬[2,3]、微粒加速[4-6]、空間等離子體實驗室模擬[7-9]以及等離子體射流驅(qū)動磁化慣性約束聚變 (PJMIF)[10-12]等領(lǐng)域. 不同的應(yīng)用背景對等離子體射流的參數(shù)要求不同. 例如, 對于ELM模擬, 傾向于密度較低、長度較長的等離子體射流;而對于PJMIF 應(yīng)用, 傾向于緊湊的高密度等離子體射流. 這就要求電磁等離子體加速器工作在不同的放電模式下.

電磁等離子體加速器有兩種常見的工作模式——雪犁模式和爆燃模式[13,14]. 雪犁模式的特征是一個緊湊的等離子體沿加速器軸向運動, 并不斷電離和掃掠前方的中性氣體, 等離子體具有密度和質(zhì)量的累積效應(yīng). 而在實際電流通道的運動過程中, 存在許多復(fù)雜的現(xiàn)象, 如電流泄漏、電流通道傾斜、電流通道粒子泄漏、電極表面阻力等, 這些都會對雪犁模式電磁驅(qū)動等離子體過程產(chǎn)生影響[15-17]. 爆燃模式的特征是等離子體在軌道內(nèi)呈現(xiàn)彌散分布, 軌道內(nèi)形成一個穩(wěn)定的、寬范圍的電流分布區(qū)域; 固定的電離區(qū)域會連續(xù)不斷電離并加速注入的粒子, 形成高速等離子體射流[18]. 爆燃模式由Cheng[19]于1970 年首次實驗發(fā)現(xiàn), 并提出了MHD Rankine-Hugoniot 理論解釋爆燃模式的物理過程. 近幾年, 斯坦福大學(xué)、德克薩斯大學(xué)進(jìn)行了許多同軸等離子體加速器爆燃模式放電的實驗、磁流體仿真及其ELM 應(yīng)用研究[20-22]. Sitaraman和Raja[23]認(rèn)為爆燃模式的產(chǎn)生與等離子體電阻有關(guān).

在實際應(yīng)用中, 尤其在快速氣閥注氣條件下,電磁等離子體加速器經(jīng)常不會處于單一的工作模式, 而會存在放電模式之間的轉(zhuǎn)變. Woodall 和Len[24]研究同軸軌道放電模式時發(fā)現(xiàn), 在第一個電流脈寬內(nèi)放電模式主要取決于氣閥注氣與主回路放電之間的時間間隔, 當(dāng)時間間隔較長時, 放電呈現(xiàn)雪犁模式; 當(dāng)時間間隔較短時, 放電呈現(xiàn)爆燃模式; 當(dāng)氣閥注氣時刻與主回路放電時間間隔介于上述兩種情況之間時, 放電呈現(xiàn)雪犁模式向爆燃模式的轉(zhuǎn)換, 即首先形成一個緊湊的等離子體團(tuán), 然后軌道內(nèi)電流逐漸變成彌散分布. Subramaniam 等[25]在研究爆燃模式時發(fā)現(xiàn), 當(dāng)電流存在振蕩時, 在電流的第一個半周期, 放電模式是爆燃模式, 而在電流的第二個半周期, 電流通道在加速器起始端重新形成, 由于加速器內(nèi)充滿殘余的粒子, 相當(dāng)于粒子預(yù)填充, 放電模式轉(zhuǎn)為雪犁模式.

現(xiàn)有針對電磁等離子體加速器的研究認(rèn)為, 在快速氣閥注入氣體條件下, 放電時氣體擴(kuò)散至整個軌道時, 放電模式即為雪犁模式. 本課題組針對平行軌道加速器開展研究時發(fā)現(xiàn), 除了氣閥注氣與主回路放電之間的時間間隔, 注氣量和放電電流幅值也會影響平行軌道加速器的放電模式, 在某些條件下出現(xiàn)了雪犁模式向爆燃模式的轉(zhuǎn)變, 這對于緊湊高密度高速度等離子體射流的產(chǎn)生是極為不利的. 因此, 本文研究了工作參數(shù)對平行軌道等離子體加速器放電模式的影響, 并對影響機(jī)制進(jìn)行了分析討論.

2 實驗裝置

實驗裝置圖如圖1 所示, 主要包括平行軌道加速器、平行軌道加速器驅(qū)動電源、快速氣閥、快速氣閥驅(qū)動電源、延時觸發(fā)器、真空腔、磁探頭、電流探頭、示波器、光譜儀、ICCD. 平行軌道電極軌道長度為242 mm, 軌道間距為16 mm, 軌道有效放電寬度為11 mm, 軌道材料為銅. 軌道兩側(cè)為透明的石英玻璃絕緣材料, 一方面提供絕緣和約束等離子體, 另一方面便于光學(xué)診斷. 軌道末端為石英玻璃管噴嘴, 用于定向等離子體射流. 軌道起始端安裝快速氣閥, 通過注氣通道向軌道電極區(qū)域注入工作氣體. 快速氣閥主要由儲氣室、線圈、鋁盤和彈簧組成. 鋁盤外徑為22 mm, 厚度為2 mm, 質(zhì)量為2.5 g. 線圈內(nèi)徑為16 mm, 外徑為24 mm, 高度為9 mm. 線圈采用1 mm 聚酯漆包線繞制, 共繞4 層, 電感量為13 μH. 快速氣閥儲氣室內(nèi)充有一定背景氣壓的氣體. 工作氣體為氬氣. 在彈簧的作用下, 快速氣閥處于關(guān)閉狀態(tài). 當(dāng)給氣閥線圈施加脈沖電流時, 線圈軸向會產(chǎn)生變化的磁通, 變化的磁通在鋁盤上感應(yīng)出渦流, 渦流與磁場的相互作用使鋁盤產(chǎn)生排斥力, 鋁盤向遠(yuǎn)離線圈的方向運動,快速氣閥開啟, 快速氣閥儲氣室內(nèi)氣體注入平行軌道加速器內(nèi). 隨后鋁盤在彈簧和氣壓差的作用下返回初始位置, 快速氣閥關(guān)閉.

圖1 實驗裝置圖Fig. 1. Experimental setup.

平行軌道加速器驅(qū)動電源為正弦振蕩衰減波電源, 總電容C1為120 μF, 回路總電感L1約為400 nH. 放電電流通過Pearson 1423 電流探頭測量. 快速氣閥驅(qū)動電源電容C2為18 μF, T 為晶閘管, 回路電阻R為0.33 Ω, D 為續(xù)流二極管. 采用機(jī)械泵和分子泵將真空腔氣壓抽至10–3Pa, 待平行軌道驅(qū)動電源和氣閥電源充電完成后, 延時觸發(fā)器一路輸出先觸發(fā)氣閥電源放電, 快速氣閥打開向平行軌道加速器內(nèi)注入工作氣體, 間隔一定時間后, 延時觸發(fā)器另一路輸出觸發(fā)平行軌道驅(qū)動電源, 電源向平行軌道放電, 驅(qū)動等離子體運動產(chǎn)生高速等離子體射流.

在軌道的軸向6 個位置布置磁探頭, 如圖1 所示, 磁探頭線圈分別布置在距軌道起始端距離為Z= 16, 54, 92, 130, 168, 206 mm 的位置處,Z= 0對應(yīng)軌道起始端. 電流通道等離子體的運動引起的磁場變化通過軌道側(cè)面石英玻璃外側(cè)布置的磁探頭測量, 磁探頭中心距離軌道中心19 mm. 磁探頭線圈采用直徑為0.3 mm 的漆包線繞制, 匝數(shù)為10匝, 通過積分器得到磁場. 積分器電阻和電容分別為330 Ω 和1 μF. 磁探頭的幅值響應(yīng)為0.697 V/T.等離子體軸向運動過程中的發(fā)射光譜通過光譜儀來測定. 由于軌道兩側(cè)絕緣材料為石英玻璃, 等離子體的發(fā)光可以從側(cè)面透過石英玻璃, 因此在軌道的側(cè)面布置準(zhǔn)直器. 等離子體發(fā)光通過2 mm 光闌、準(zhǔn)直器 (Thorlabs F240SMA-A) 、光纖 (芯徑100 μm) 耦合進(jìn)入光柵光譜儀 (Andor SR500i).光譜儀的探測器為ICCD (Andor DH334T). 光譜儀的測量位置聚焦在電極間距的中心位置, 軸向測量位置為Z= 206 mm. 磁探頭信號與放電電流通過多臺同步觸發(fā)的示波器 (Tektronix DPO4104B)采集.

快速氣閥驅(qū)動電源電容充電電壓不同時, 氣閥驅(qū)動電流不同. 快速氣閥驅(qū)動電源電容充電范圍為2.3—3.0 kV, 產(chǎn)生的電流幅值為1.87—2.50 kA,由于存在續(xù)流二極管, 電流波形為單脈沖雙指數(shù)波形. 當(dāng)快速氣閥驅(qū)動電源電容充電電壓為2.3 kV時, 快速氣閥驅(qū)動電流波形如圖2(a) 所示, 電流峰值為1.87 kA, 電流波形從起始點上升到峰值的時間為22 μs, 下降到峰值的50%的時間為45 μs. 在距離快速氣閥噴口5 mm 的位置布置壓力傳感器,用來測量注入氣體的滯止壓力, 反映注入氣體不同時刻的瞬時密度. 工作氣體為氬氣, 快速氣閥不同工作氣壓、氣閥電源不同放電電流下, 距離快速氣閥噴口5 mm 處測得的注入氣體的滯止壓力波形如圖2(b) 所示, 其中,t= 0 時刻是氣閥電源放電的起始時刻. 壓力傳感器測得的氣體滯止壓力主要與氣體注入的瞬時密度有關(guān). 當(dāng)快速氣閥工作氣壓/放電電流分別為200 kPa/1.87 kA, 400 kPa/2.18 kA,800 kPa/2.50 kA 時, 氣體注入的瞬時密度呈逐漸增大趨勢. 快速氣閥放電與主回路放電之間的時延不同, 注入的氣體在軌道內(nèi)的分布區(qū)域不同. 通過在軌道電極出口布置壓力傳感器, 測得注入氣體的前沿運動至軌道電極出口的時刻為450 μs. 因此本文快速氣閥僅工作在上述3 種氣壓/電流條件下,快速氣閥放電與主回路放電之間的時延固定為450 μs.

圖2 快速氣閥波形圖(a) 電流波形; (b) 注入氣體的滯止壓力波形Fig. 2. Fast gas valve waveform: (a) Current waveform;(b) injected gas stagnation pressure waveform.

3 結(jié)果與討論

3.1 雪犁模式典型波形

快速氣閥工作氣壓為200 kPa、氣閥電流為1.87 kA, 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為3.2 kV 時, 軸向不同位置的磁探頭測得的磁場波形和電流波形如圖3 所示. 電流波形為正弦振蕩衰減波, 電流第一個半周期峰值為40 kA, 脈寬為23.4 μs. 由于電流反向時一般會在軌道起始端有二次擊穿, 本文只關(guān)注電流的第一個半周期內(nèi)平行軌道加速器的工作模式. 雪犁模式的典型特征是形成一個緊湊的等離子體片. 從磁場波形上看, 不同軸向探測位置的磁場從0 上升的起點反映了電流通道的前沿; 某一軸向探測位置磁場與靠近軌道起始端方向前一個探測位置磁場的重合點反映了電流通道的后沿. 根據(jù)圖3 可知, 磁場上升起點依次經(jīng)過探測位置, 磁場上升后也依次重合, 磁場上升斜率相近, 表明一個具有一定厚度的電流通道整體以一定的速度依次運動過軌道軸向不同的探測位置.

圖3 磁場波形和電流波形Fig. 3. Magnetic field and current waveforms.

通過磁場波形, 可以得到不同時刻電流通道軸向的電流分布. 在一維近似下, 磁探頭線圈位置測得的磁場大小與電流通道軸向電流密度的關(guān)系為

式中B為磁探頭布置位置處測得的磁場大小;k為比例系數(shù), 可通過軌道末端短路校準(zhǔn)獲得;J為電流通道的電流密度;μ為磁導(dǎo)率. 令Bn為從軌道起始端第n個磁探頭測得的磁場大小, 即n=1 時表示Z=16 mm 位置的磁探頭線圈. 6 個磁探頭將平行軌道軸向分為7 段區(qū)域, 分別為0—16 mm,16—54 mm, 54—92 mm, 92—130 mm, 130—168 mm, 168—206 mm 和206—242 mm, 電流在這7 段區(qū)域內(nèi)每段區(qū)域分布的電流分別以I0—I6表示. 則平行軌道加速器軸向7 段區(qū)域內(nèi)每段區(qū)域分布的電流大小為

由于放電電流隨時間變化, 將每段區(qū)域分布的電流除以總放電電流It獲得平行軌道加速器每段區(qū)域分布的電流比例為

快速氣閥工作氣壓為200 kPa、氣閥電流為1.87 kA, 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為3.2 kV 時, 不同時刻軌道內(nèi)每段區(qū)域電流分布的比例如圖4 所示. 圖中第一個點代表0—16 mm 區(qū)域的電流分布比例, 其余6 個點分別代表以該點為中心、寬度為38 mm 區(qū)域的電流分布比例.t= 0 時刻表示加速器放電的起始時刻.6 個不同時刻選取的依據(jù)是前6 個分段區(qū)域電流比例分別達(dá)到最大的時刻. 由圖4 可知, 隨著時間的增加, 電流分布比例最大的區(qū)域不斷向軌道出口方向移動.t≤13.8 μs 時, 電流分布較為集中;t＞13.8 μs 時, 電流分布寬度逐漸增大. 根據(jù)快速氣閥的氣體注入波形推測, 當(dāng)時延為450 μs 時, 軌道內(nèi)氣體分布特征為軸向中間某一區(qū)域密度最高、向軌道起始端和末端兩個方向逐漸遞減、軌道末端氣體密度接近為零. 當(dāng)t＞13.8 μs 時, 電流運動至軌道的后半段, 電流通道前沿至軌道末端的氣體密度逐漸降低, 電流通道前沿區(qū)域的洛倫茲力J×B和磁壓力P會大于前方氣體的動壓ρv2, 因此電流通道前沿的速度會略微增大, 引起電流分布的寬度逐漸增大. 但電流通道整體向軌道末端運動的趨勢不變, 因此在這個軌道放電參數(shù)和氣閥工作參數(shù)下, 平行軌道加速器的工作模式為雪犁模式.

圖4 電流分布比例圖Fig. 4. Current distribution ratio waveform.

3.2 放電電流幅值的影響

快速氣閥工作氣壓為200 kPa、氣閥電流為1.87 kA, 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓分別為5, 8 和13 kV 時, 軸向不同位置的磁探頭測得的磁場波形和電流波形如圖5 所示. 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為5 kV 時, 放電電流幅值為64 kA; 磁場上升起點依次經(jīng)過探測位置, 磁場上升后也依次重合, 磁場上升斜率相近,表明具有一定厚度的電流通道整體以一定的速度依次運動過軌道軸向不同的探測位置; 但在軸向位置Z= 168 mm 和Z= 206 mm 處, 磁場上升至最高點之前出現(xiàn)明顯的拐點, 表明在電流通道的后方出現(xiàn)了二次擊穿, 并有一小部分電流從二次擊穿的電流通道流過. 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為8 kV 時, 放電電流幅值為100 kA; 磁場上升起點依次經(jīng)過探測位置, 但磁場上升的斜率隨著軸向位置的增大呈現(xiàn)遞減的趨勢. 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為13 kV 時, 放電電流幅值為170 kA; 磁場在上升過程中出現(xiàn)明顯的斜率變化, 且越靠近軌道末端, 磁場上升越慢;不同位置的磁場只有在電流峰值過后才開始逐漸重合, 說明電流通道的后沿在電流上升階段一直在軌道起始端附近固定不動, 而當(dāng)電流峰值過后, 電流通道后沿才明顯地開始向軌道末端方向運動. 在該放電參數(shù)和工作氣壓下, 平行軌道加速器形成的并不是一個厚度薄的電流通道, 而是一個范圍很寬的呈彌散狀的電流通道.

圖5 不同電流下的磁場波形圖(a) 64 kA; (b) 100 kA;(c) 170 kAFig. 5. Magnetic field waveform under different currents:(a) 64 kA; (b) 100 kA; (c) 170 kA.

快速氣閥工作氣壓為200 kPa、氣閥電流為1.87 kA, 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓分別為8 和13 kV 時, 不同時刻軌道內(nèi)每段區(qū)域電流分布的比例如圖6 所示. 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為8 kV,t≤6.8 μs 時, 隨著時間的增加, 電流分布比例最大的區(qū)域不斷向軌道出口方向移動, 放電呈現(xiàn)雪犁模式;t>8.6 μs時, 電流分布區(qū)域明顯擴(kuò)大, 充滿軌道的后半段區(qū)域, 呈現(xiàn)出爆燃模式的放電特征. 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為13 kV, 在電流的上升階段 (t<10 μs) , 隨著電流通道前沿的運動, 電流通道逐漸充滿整個軌道; 在4.4—8.0 μs 時間段,電流分布比例最大的區(qū)域固定不動. 這說明電流通道后沿在放電電流上升階段基本在軌道起始端附近固定不動, 等離子體在軌道內(nèi)彌散分布, 這是爆燃模式的典型特性. 因此, 當(dāng)放電電流由40 kA 增大到170 kA 時, 平行軌道加速器放電模式由雪犁模式轉(zhuǎn)變?yōu)楸寄Ｊ?

圖6 不同電流下的電流分布比例 (a) 100 kA; (b) 170 kAFig. 6. Current distribution ratio under different currents:(a) 100 kA; (b) 170 kA.

3.3 注氣量的影響

平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為13 kV, 快速氣閥工作氣壓和電流分別為400 kPa/2.18 kA 和800 kPa/2.50 kA 時, 軸向不同位置的磁探頭測得的磁場波形和電流波形如圖7 所示. 與圖5(c) 對比可見, 氣體注入量越大, 電流通道的前沿運動速度越慢, 磁場在上升過程中出現(xiàn)明顯的斜率變化的現(xiàn)象越不顯著, 不同探測點磁場上升的斜率越接近. 這說明氣體注入量越大, 平行軌道加速器電流分布越集中, 放電模式由爆燃模式逐漸趨向于雪犁模式. 另一方面, 在不同的注氣量條件下,不同探測點磁場波形均在電流波形的下降階段, 即電流通道后沿均在電流峰值之后才開始向軌道末端運動. 這表明電流波形也是影響平行軌道加速器放電模式的一個關(guān)鍵因素.

圖7 不同注氣條件下磁場波形圖(a) 400 kPa/2.18 kA;(b) 800 kPa/2.50 kAFig. 7. Magnetic field waveform under different gas injection: (a) 400 kPa/2.18 kA; (b) 800 kPa/2.50 kA.

3.4 光譜診斷

當(dāng)平行軌道加速器工作在雪犁模式下時, 電流通道以一定的厚度沿軌道軸向運動, 并不斷電離前方的中性氣體, 電離后的粒子隨電流通道一起沿軸向運動, 因此電流通道內(nèi)的粒子主要為Ar 粒子.但當(dāng)放電電流增大, 平行軌道加速器趨向于雪犁模式時, 電流通道充滿整個軌道, 此時電流通道不同位置的粒子成分將完全不同. 快速氣閥工作氣壓為200 kPa、氣閥電流為1.87 kA, 平行軌道加速器驅(qū)動電源電容器充電電壓為13 kV, 探測時刻分別為t= 9 μs 和t= 15 μs 時, 平行軌道加速器軸向Z= 206 mm 位置電流通道等離子體的發(fā)射光譜如圖8 所示. 發(fā)射光譜探測系統(tǒng)ICCD 的門寬時間設(shè)為400 ns, 所以實際探測的是上述時刻±200 ns時間范圍內(nèi)的積分光譜.t= 9 μs 時, 對應(yīng)電流通道等離子體的前沿位置, 處于磁場上升斜率明顯拐點時刻之前, 此時等離子體的發(fā)射光譜主要為Ar II 譜線, 說明在電流通道等離子體的前沿位置, 等離子體的粒子種類主要是Ar 粒子. 這是由于工作氣體為氬氣, 隨著等離子體前沿的運動, 會不斷電離并掃掠運動方向前方的中性氣體.t= 15 μs 時,對應(yīng)電流通道等離子體的中尾部位置, 處于磁場上升斜率明顯拐點之后, 此時光譜圖像與t= 9 μs 時刻出現(xiàn)明顯的差別, 強(qiáng)度最大的譜線變?yōu)镃u II 譜線, 即電流通道等離子體的中尾部區(qū)域主要為燒蝕電極產(chǎn)生的帶電粒子. 那么可以預(yù)見的是, 當(dāng)?shù)入x子體從軌道末端噴出后, 等離子體射流的前沿主要是中性氣體的帶電粒子, 而等離子體射流的拖尾部分主要是燒蝕電極和絕緣材料形成的帶電粒子. 這對于等離子體射流的應(yīng)用是極為不利的.

圖8 電流通道等離子體的發(fā)射光譜 (a) t = 9 μs; (b) t =15 μsFig. 8. Current channel plasma emission spectrum: (a) t =9 μs; (b) t = 15 μs.

3.5 分析與討論

綜合以上研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當(dāng)放電電流較低時,平行軌道加速器呈現(xiàn)雪犁模式; 當(dāng)放電電流增大時, 平行軌道加速器出現(xiàn)爆燃模式, 且存在共同的特征, 即電流通道后沿在電流上升階段固定不動,而在電流下降階段開始向軌道末端移動; 注氣量越大, 平行軌道加速器電流通道前沿速度越慢, 電流分布越集中, 放電模式由爆燃模式逐漸趨向于雪犁模式. 這說明, 放電模式的改變不僅與放電電流幅值有關(guān), 還與電流的變化率、電流通道的運動速度有關(guān), 而這些參量都會引起軌道電壓的變化. 因此,本文認(rèn)為工作參數(shù)主要影響軌道兩端的電壓, 從而導(dǎo)致影響放電模式; 當(dāng)放電電流過大或電流變化率越大, 軌道兩端電壓越高, 電流通道后方的間隙不足以耐受高壓而擊穿, 引起電流在軌道內(nèi)彌散分布, 出現(xiàn)爆燃模式放電.

當(dāng)平行軌道加速器處于雪犁模式時, 軌道兩端的電壓U可表示為

其中,L為軌道電感,i為放電電流,R為電流通道電阻. 假設(shè)電流波形為正弦波形, 電流波形周期為T, 則電流波形可表示為i=I0sin(2π/T ·t) . 為了簡化分析, 假設(shè)電流通道運動為勻速運動. 如果電流通道運動的速度為v, 軌道單位長度電感為L', 則軌道兩端電壓可寫為

圖9 軌道兩端電壓隨時間的變化Fig. 9. Rail electrode voltage as a function of time.

平行軌道加速器工作在雪犁模式下, 電流通道會掃掠前方的中性氣體, 但掃掠效率不會達(dá)到100%, 會有殘余氣體的泄露. 本文的軌道結(jié)構(gòu)雪犁模式下電流通道掃掠效率約為80%, 氣體注入后軌道內(nèi)氣壓約為數(shù)百帕至千帕范圍, 電流通道掃掠后, 電流通道后方存在數(shù)十帕至上百帕的殘余氣壓, 而且還會存在一定的殘余帶電粒子. 在這個低氣壓下, 氬氣的擊穿電壓基本處于巴申曲線的最小值, 約為300—500 V[29]. 因此, 當(dāng)放電電流較大、電流變化率較大或電流通道運動速度較快時, 都會導(dǎo)致軌道電壓升高. 如果軌道電壓超過擊穿電壓,那么就無法繼續(xù)維持雪犁模式, 會在電流通道后方引起二次擊穿, 形成電流通道的拖尾, 產(chǎn)生爆燃模式放電. 爆燃模式下固定的電流通道主要通過燒蝕電極來維持. 當(dāng)電流由峰值開始下降時, 軌道電壓開始降低, 當(dāng)電壓不足以維持二次擊穿時, 電流通道后沿在洛倫茲力作用下開始運動. 理論分析與實驗結(jié)果相符合.

因此, 本文認(rèn)為工作參數(shù)主要影響軌道兩端的電壓, 從而導(dǎo)致影響放電模式. 根據(jù) (1) 式, 為了抑制雪犁模式向爆燃模式的轉(zhuǎn)變, 一是可以采用方波代替正弦波, 減小電流的變化率; 另一個是減小軌道的電感梯度, 即減小軌道電極的電流密度, 如采用寬度更寬的平行軌道或直徑較大的同軸軌道.

4 結(jié) 論

本文通過磁探頭、光譜儀研究了不同放電電流和注氣量條件對平行軌道加速器放電模式的影響. 實驗結(jié)果表明: 1) 當(dāng)快速氣閥工作氣壓為200 kPa、氣閥電流為1.87 kA、平行軌道加速器放電電流為40 kA 時, 平行軌道加速器的工作模式為雪犁模式; 2) 隨著放電電流的增大, 平行軌道加速器放電模式由雪犁模式轉(zhuǎn)變?yōu)楸寄Ｊ? 并形成一個范圍很寬的呈彌散狀的電流通道, 電流通道后沿在電流上升階段固定不動, 而在電流下降階段開始向軌道末端移動; 注氣量越大, 平行軌道加速器電流通道電流分布越集中, 放電模式越趨向于雪犁模式; 3) 爆燃模式下固定的電流通道主要通過燒蝕電極來維持; 4) 工作參數(shù)主要影響軌道兩端的電壓, 從而影響平行軌道加速器的放電模式.