（空间物理学专业论文）等离子体微小空间碎片加速器放电特性的测量与研究.pdf

摘要 摘要 论文工作的主要内容是基于研制中的等离子体碎片加速器诊断需求，设 计并测量了本装置的等离子体放电相关参数，研究了装置中的同轴枪的放电 机理，建立了同轴枪放电的物理模型，并从模型和实验测量角度对各种条件 下的同轴枪放电特性进行了分析和研究，以期对等离子体碎片加速器的优化 设计及调试提供理论指导。 论文介绍了等离子体碎片加速器的诊断设计。使用压力传感器研究了所 研制脉冲电磁阀门的时间特性，以及等离子体碎片加速器同轴枪内中性气体 的压力分布：设计罗科夫斯基线圈并测量了本装置的放电电流；设计磁探圈 并测量了同轴枪内等离子体的平均速度。 论文介绍了等离子体碎片加速器同轴枪的雪耙模型。研究了同轴枪的放 电机理，建立了雪耙模型的控制方程组：电路方程及等离子片运动方程，并 使用m a t l a b 程序求出其数值解，得出放电电流波形及等离子体速度等参 数的变化波形。 论文研究了同轴枪的放电特性。比较并分析了同轴枪放电实验诊断结果 与模型仿真结果，基于分析结论对放电的运行调试及可能的优化设计提出了 建议。 关键词微小空间碎片；等离子体微小空间碎片加速器；诊断；雪耙 模型 = ： 兰童兰竺堡尘三竺塑：型兰兰鍪皇! 篓塑型量皇堡垒： a b s t r a c t z h a o f e n gc h e n ( s p a c ep h y s i c s ) d i r e c t e db yj i a n w e ih a na n dj i a n g u oh u a n g b a s e do nt h ed i a g n o s t i cd e m a n d so ft h ep l a s m ad y n a m i ca c c e l e r a t o rw h i c h i sb e i n gd e v e l o p e d ，t h ep a r a m e t e r so ft h ep l a s m ai sm e a s u r e dw i t ht h ed e s i g n e d t e c h n i q u e ，t h ed i s c h a r g i n gp r i n c i p l eo ft h ec o a x i a lp l a s m ag u no ft h ea c c e l e r a t o r i s i n v e s t i g a t e d a n dt h e p h y s i c a l m o d e li se s t a b l i s h e d ，t h e d i s c h a r g i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o a x i a lp l a s m ag u ni sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h em o d e la n d d i a g n o s i sr e s u l t s ，a n dt h e o r e t i c a ls u g g e s t i o n sf o r t h ed e b u g g i n ga n do p t i m i z a t i o n o ft h ea c c e l e r a t o ra r eb r o u g h tf o r w a m f i n a l l y ， t h ed i a g n o s t i cm e t h o d so ft h ep l a s m ad y n a m i ca c c e l e r a t o ra r ei n t r o d u c e d t h ed i s c h a r g i n gc u r r e n to ft h ea c c e l e r a t o ri sm e a s u r e dw i t ht h er o g o w s k ic o i l ， t h ed i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ef a s te l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea n dt h ea r g a s p r e s s u r ei n t h ec o a x i a lp l a s m ag u na r em e a s u r e dw i t hs m a l lp i e z o e l e c t r i c p r e s s u r ep r o b e s ，a n dt h ev e l o c i t yo ft h ep l a s m ai nt h ec o a x i a lp l a s m ag u ni s m e a s u r e dw i t hm a g n e t i cp i c k u pc o i l s t h es n o w p l o wm o d e lo ft h ec o a x i a lp l a s m ag u ni si n t r o d u c e d t h e d i s c h a r g i n gt h e o r yo ft h ec o a x i a lp l a s m ag u ni si n v e s t i g a t e da n dt h eg o v e r n i n g e q u a t i o n si n c l u d i n gt h ee q u a t i o no ft h ec i r c u i ta n dt h ee q u n i o no ft h em o t i o no f t h ep l a s m as h e a t hi so b t a i n e d ，t h ee q u a t i o n si ss o l v e db ym a t l a b ，a n dt h e t y p i c a ls o l u t i o n sa r ep r e s e n t e d t h ed i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o a x i a lp l a s m ag u ni sr e s e a r c h e d t h e r e s u l t so ft h ed i a g n o s i sa n dt h em o d e la r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，b a s e do n w h i c ht h ep o s s i b l em e t h o d sf o rt h ed e b u g g i n ga n d o p t i m i z a t i o na r ep r e s e n t e d k e y w o r d s m i c r os p a c ed e b r i s ；p l a s m ad y n a m i ca c c e l e r a t o r ；d i a g n o s i s s n o w - p l o wm o d e l i i 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何其他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种 学位或证书而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡 献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：髓雏日期：址牛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：培养单位可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：箍：塾硷 见证人： 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着航天事业的发展，空间碎片的数量与日俱增，从空间返回的航天飞 机和其他回收卫星的表面可以看到已经被空间碎片撞击得干疮百孔，空问碎 片对航天的安全构成严重威胁已是不争的事实，为了我国航天事业的发展及 安全，现阶段必须开展空间碎片的研究工作，而超高速碰撞地面模拟实验是 空问碎片被动防护技术研究的重要内容。 等离予体微小空间碎片加速器( 以下简称等离子体碎片加速器) 是国外 近年来进行空间微小碎片超高速碰撞地面模拟采用的一种新方法，这种方法 具有结构简单，成本低、容易与试验容器接口和没有化学污染等特点，开展 这一方法的研究，对促进我国空间石卒片超高速碰撞地面模拟技术发展具有重 要意义。本文所基于的等离子体碎片加速器，是围内第一个拥有产生超高速 微小碎片的装置，也是国际上为数不多的装置之一，具有很高的应用价值和 学术价值。 l 1 。1 空间碎片及微流星体概述 1 1 1 1 空间碎片 空间碎片是人类空间活动的产物，包括完成任务的火箭箭体和卫星本 体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞 产生的碎块等，是空间环境的主要污染源f “。空间碎片可以根据尺寸分为大 碎片、中碎片和微小碎片等以下三类 1 】= 直径大于1 0 c m 或质量大于1 虹的碎片称为大碎片，在近地空间大约分 布着1 0 0 0 0 多个而且还在不断增长，它占空间碎片总质量的9 9 以上，它 的主要来源是失效的航天器、航天器上脱落的末级火箭，数量最大的还是发 生爆炸的航天器和火箭；直径1 c m 1 0 c m 或质量1 m g l k g 之间的碎片称 为中尺寸碎片，或称为“危险碎片”；直径小于1 m m 或质量小于l m g 的碎片 称为微小碎片，它们数量较多，需要从航天器的材料和结构，甚至是系统和 整体设计上采取措施加以防护，以减小其损害。 大、中空间碎片主要来源于废弃的卫星、火箭以及其脱落物等。微小碎 片主要包括卫星表面脱落物、发动机喷出的碎屑、碰撞或爆炸产生的碎片等 等。表l l 给出了空间碎片的分类及相应的研究工作 表1 1空间碎片分类及相应的研究工作0 1 1 尺度 探测数据库 防护措施 减缓措施 大碎片 1 0 c m 地基望远镜动态数据库机动规避运载钝化 1 k g 地基雷达陨落预报卫星钝化 天基望远镜坟墓轨道 天基雷达 限期轨道 中碎片 1 m 1 0 c m无有效方法 无有做方法 ( 危险 1 m g i k g l 碎片) r 片 ( 1 m m 直接探测数据库防护材料 i m g 回收物分析工程模式防护结构 航天器表面演化模式分系统防护 观测风险评估整星防护设计 空间碎片对于空间飞行器的安全飞行长期存在着严重威胁。因为空间飞 行物体以高于7 k m s 的速度运动，其动能相当于同等质量的t n t 爆炸所释 放能量的2 4 倍2 1 ，所以空间碎片对人类航天活动的危害不容忽视。空间碎 第1 章绪论 片以多种方式对航天器造成危害 i 】： 1 ) 改变表面性能 极小的空间碎片( 直径为t t m 量级，质量为g 量级) ，由于其数量多， 能严重改变航天的性能，称为“砂蚀”。在光学镜头表面可以被“磨砂”而 降低成像质量，对温控表面的撞击会改变辐射、吸收特性，因而改变航天器 的热平衡状态，造成航天器温度改变。 2 ) 在航天器表面造成撞击坑 稍大的空间碎片会损坏航天器表面材料，对表面器件造成损伤，若击中 太阳电池供电线路，则将造成断路。 3 ) 等离子体云效应 高速撞击的空间碎片会使自身及被撞击的航天器表面材料气化为等离子 体云，在失重的条件下依附在航天器表面四处游荡，最后进入航天器的内部 造成放电、短路、供电失常等效应，形成航天器故障。 4 ) 动量传递 大的空间碎片与航天器高速碰撞时，将巨大的动能传递给航天器，使航 天器的姿态改变，甚至改变航天器的轨道。 5 ) 表面穿孔 空间碎片的能量足够大时，将穿透航天器表面，打坏置于航天器内部的 控制系统或有效载荷。击穿盛有气体或液体的容器舱壁时，气体或液体将泄 漏。 6 ) 容器爆炸、破裂 空间碎片的撞击可以使航天器表面强度降低，甚至出现裂纹，若舱壁有 应力集中的现象，或高压容器的舱壁受损，可能会发生爆炸。 7 ) 机构碎裂 大的空问碎片撞击航天器时，可能将整个结构打散。 1 1 1 2 微流星体 微流星体通常指直径在l m m 以下、质量在l m g 以下的固体颗粒。它们 在太阳引力作用下运动，其速度相当于地球的平均速度，约1 0 3 0 k m s ，最 大速度可达7 2 k m s i 3 1 。 天然微流星一般分零星微流星和雨流微流星。零星微流星的质量范围微 l i o “2 9 ，雨流微流星的质量范围为1 1 0 “g ，通常颗粒密度为o 5 9 c m 3 。 当速度很快的微流行体与航天器相撞时，释放出巨大能量，对航天器造 成很大危害。质量小的微流星体主要对航天器表面起砂蚀作用，使表面粗 糙、热控涂层特性破坏。对光学表面、太阳电池等影响也很大，导致透光性 能变化、表面材料熔化与汽化等。 质量较大的微流星体由于能量较大，还能使航天器表面产生裂痕或穿透 壳壁。实测结果表明，主要危害来自质量低于l 旷7g 、直径小于1 0 m 的微 流星体。这种微流星体数量大、碰撞机会多，但由较大微流星体造成的壳壁 破裂机会很小。它与卫星壳壁厚度有关。当壳壁厚度为1 r a m 的铝时，每平 方米表面几十年内才可能有一次破裂的碰撞；若铝制壳壁厚为o 1 m m ，在 近地空间则可能每年有一千次产生破裂的碰撞。例如，“探险者”一1 6 卫 星，在空间飞行2 0 0 天，记录到1 5 0 0 0 次微流星的碰撞，受击面积是整个探 测器面积的十分之一；“塔萨特”( t a s a t ) 战术通信卫星遭微流星高速碰 撞，使超高频天线方向图发生变化，功率下降；“阿波罗”一1 3 飞船行到距 第1 章绪论 地球3 2 9 9 6 1 k m 时，遇微流星碰撞，使其辅助舱的2 号液氧箱爆炸，登月被 迫取消。 空间碎片及微流星体的研究包括观测、模型和数据库、减缓、防护等方 面，研究的内容很多，涉及到许多科学和多种专业领域。国外的研究最早起 源于上个世纪六十年代美国“阿波罗”计划，在超高速撞击验证试验、材料损 伤机理、数值仿真和累积效应方面进行了深入的研究h 1 。与国外相比，我国 空间碎片的研究起步较晚，尚未系统开展空间碎片的防护研究，同时我国已 制定了发展长寿命卫星、研制长时间运行的空间实验室和空间站的目标，有 效解决微小碎片的影响是实现这些目标的重要环节之一。因此，开展空间碎 片的超高速撞击试验研究对于填补这一领域的空白，特别对于我国开展的载 人航天计划，其意义尤其重大。 1 1 2 超高速碎片的加速器模拟技术 有关微流星体、空间碎片的超高速撞击的研究及防护得到了国内外的高 度重视 5 _ | 例如，围绕w h i p p l e 于1 9 4 7 年提出的w h i p p l e 防护方案( 即在 航天器舱壁的外面间隔一定距离s 放一防护屏) ，进行了大量微流星体、空 间碎片撞击防护方案的研究工作，提出了一些改型w h i p p l e 防护方案和一些 多层防护方案。为了研究微流星体、空间碎片的损伤机理并确定不同材 料和结构型式的损伤行为特性，需要对超高速撞击发射技术及发射装置进行 实验研究。各种地面模拟技术均在努力提高其速度，以便进行可能遇到撞击 速度范围内的实验研究，给出更多的撞击损伤特性数据，并为数值模拟结果 提供评价的标准。 等离子体微小空间碎片加速器放电特性的测量与研究 1 1 2 1 等离子体碎片加速器 等离子体碎片加速器通过电容器放电，在两个同轴内外电极之间产生高 速等离子体，放电产生的电流产生一个很大的感应磁场【1 8 20 1 。这磁场在电 极问为角向，垂直等离子体，这一磁场和与之垂直的等离子体相互作用，产 生沿轴向平行电极的电磁力，使等离子体加速运动而脱离加速电极。随后等 离子体进入到压缩线圈，压缩线圈是圆锥形的螺旋裸线圈，顶端与加速外电 极相连，当等离子体进入其范围内时，即将内加速电极与压缩线圈近端短 路，使压缩线圈形成与内j b d i ：l 速电极并联的放电回路。这个压缩线圈内的电 流有轴向和角向两个分量。角向电流在等离子体内感应一个反向的角向电 流，因而对等离子体起压缩作用，使等离子体的质量和能量密度提高，传递 给微小颗粒的能量和动量也增大，压缩线圈也使等离子体的轴向速度减小， 但实验证实减小得不多。从压缩线圈喷出的等离子体流拖吸着微小的玻璃等 微粒加速到超高速的范围。由于等离子体的强辐射，粒子材料限制在透明物 质，主要是玻璃。这种类型的加速器可以将1 1 0 0 0 9 m 的微小颗粒加速到 l 2 0 k m s ，主要用于微流星体及空间微小碎片对应质量和速度范围的地面模 拟研究。 1 1 2 2 静电粉尘加速器 主要原理是将具有电荷q 的微小粒子在高压矿作用下加速，粒子获得动 能q 矿，相应速度为1 型。由此可见粒子的速度受到粒子质量和电压的限。 vm 制，可加速粒子的尺寸范围是比较有限的。根据文献f 1 0 1 ，静电加速器可将 o 2 u m 的粒子加速到l8 k m s ，将o 0 2 9 m 的粒子加速到l o o k m s ，因此静电 第1 章绪论 粉尘加速器主要适合于加速尺寸在微米以下的颗粒。 1 1 2 3 电热加速器技术 电热加速器技术是利用高功率脉冲电源输出的高电压和大电流向介质放 电，把电能转变成高温高压的等离子体热能，推动弹丸】，可分为直热式 和间热式。直热式以等离子体膨胀做功直接推动弹丸超高速射出：而间热式 利用高功率脉冲电源放电产生的高温高压等离子体去加热介质，使介质气化 或离解和燃烧产生高温高压气体，气体膨胀推动弹丸射出。这种加速技术受 到美、俄、德、法等国的重视，研制了各种形式的加速器。一种直热式加速 器( 爆丝加速器) ，它通过两个线圈之间的高压短路脉冲使锂丝爆炸产生等 离子体驱动粘结在塑料膜上的小粒子超高速射出，对于质量为1 0 0 m g 的粒 子可以加速器到5 k m s 。另一种直热使加速器( 爆炸箔加速器) ，铝箔被高 压脉冲引爆，高温高压等离子体膨胀使聚酰亚胺薄膜在作为发射管的孔内被 超高速挤出。这样，具有5 0 m g 质量的一个聚酰亚胺薄膜弹丸可以加速到 7 k m s 。对于小质量弹丸可以加速到1 0 k m s 或更高的速度。 1 1 2 4 二级，三级轻气炮 在微流星体和空间碎片的超高速撞击地面模拟实验研究中，二级轻气炮 ( l g g ) 是目前可用来发射预先给定形状弹丸达到超高速范围一种最常用 的加速设备。二级轻气炮具有火药驱动和非火药驱动两种形式，火药爆炸气 体或高压气体在泵管推动活塞压缩里面的二级轻质气体( 氦气或氢气) 使其 达到一定的压力，造成膜片破裂，这样高温高压的轻气进入发射管驱动装有 弹丸的弹托沿发射管加速飞出。当弹托飞离发射管后，弹丸与弹托分离，弹 丸通过磁感应和激光测速系统，最后撞击靶件。可以将弹丸加速到2 - 7 k m s 等离予体微小空间碎片加速器放电特性的测量与研究 的超高速。二级轻气炮最高可以使1 9 的弹丸加速至8 k m s 左右的速度。 m o r i t o ht 1 3 】等人采用在泵管外增加一级将轻质气体预热加压的方法设 计了三级轻气炮，己实现将o 5 8 9 弹丸发射到8 9 k m s 的速度。 c h h a b i l d a s 1 4 1 采用“p i l l o w ”技术将二级轻气炮的发射管增加一级变为三 级轻气炮。在二级轻气炮的发射管装填聚碳酸酯的弹丸，在弹丸的前面装有 变密度的“p i l l o w 撞击器，在撞击器的弹丸之间是铜或钛的被衬，这种撞击 器在炮口的末端撞击薄的飞板。利用这种技术使2 r a m 厚的钛合金飞板达到 了8 1 k m s 的速度，l m m 厚的铝合金飞板达到了1 0 4 k m s 的速度，甚至使 o 5 m m 厚的铝合金( o 5 9 ) 飞板和钛合金飞板达到了1 2 2 k m s 的速度。飞 板速度是撞击器速度的2 3 倍，利用这种技术可以将质量几百毫克的飞板 加速到约1 6 k m s 的速度。 1 1 z 5 定向聚能加速器技术 定向聚能加速器被认为是用于超高速撞击实验研究最有应用潜力和发展 前途的发射技术，最大发射速度可达1 2 k m s 。美国n a s a 、欧空局、日 本、俄罗斯等均研制了用于超高速撞击实验研究的定向聚能加速器 1 5 】。聚 能加速器是在炸药里面设置由锥形金属罩( 铜或铝) 形成的空腔，采用炸药 爆炸使金属形成射流，并用一个隔离器将射流的前端与后端隔开得到一个短 柱状弹丸超高速飞出，撞击靶件。这种加速装置的独特优点是其可将1 9 的 铝弹丸加速到1 1 k l t l s 以上的速度。 1 1 2 6 轨道炮加速技术 轨道炮由两条平行的金属导轨、一个电枢、弹丸和大功率脉冲发生器组 成，起滑动开关和短路的作用：弹丸在两轨道之间和电枢之间，对于金属弹 第1 章绪论 丸需在其外面包一层绝缘材料，或采用弹托将弹丸托住。电流通过馈电母 线、导轨、电枢返回电源构成回路，并在回路产生磁场，电枢电流与磁场相 互作用在电枢产生电磁力，使电枢加速推动弹丸超高速飞出。从原理上，这 种技术可以得到很高的速度，但由于技术的限制，对于几克质量的弹丸现在 只能加速到几公里每秒的速度。 1 1 2 7 激光驱动飞片技术 激光驱动飞片的原理如下：在透明基底材料上粘接或沉淀一层金属膜， 制各飞片靶。一束高强度激光透过基底材料入射到金属膜表面，使金属膜表 面瞬间蒸发、汽化、电离产生高温( 1 0 4 k ) 、高压( 1 0 9 1 0 ”p a ) 等离子 体，受到基底材料的约束，等离子体产生的高压冲击波激光入射到前面的金 属膜上，将剩余金属膜剪切下来，高速驱动出去，形成超高速飞片，撞击到 试验样品上。目前，中国空f 司技术研究院环境工程部将该技术应用到空间碎 片的研究中，利用1 3 5 j 的激光能量将厚6 0 1 x m ，直径c p 2 m m 的铝碎片驱动 出去，速度可达3 ，2 k m s 4 1 。 以上各种加速手段中，对于直径o o l l m m ，速度从每秒几公里到几 十公里的空间微小碎片及微流星体来况，只有等离子体碎片加速器和静电粉 尘加速器可以满足条件。相对于静电加速器，等离子体加速器的造价低近一 个量级，操作和维护更加容易，具有明显的优势。而且国外也只是在原有静 电加速器的基础上进行技术改造实现微小碎片加速的，相比较而言等离子体 加速器加速的微小碎片更接近航天器轨道碎片，对开展面向航天工程的研究 和服务更有利。 本课题所基于的等离子体碎片加速器，是国内第一个拥有产生超高速微 ：= 茎堇重篁丝尘童望窒竺垫望矍篁皇堡堡墼! 量耋坚鎏：= ： 小碎片的装置，也是国际上为数不多的装置之一。该装置能为我们在空间碎 片与航天器撞击效应、行星际化学、物质起源、深空探测等方面提供强有利 的手段，能够促进在上述领域形成更多创新性成果。 1 2 本课题研究内容 本课题首先基于等离子体碎片加速器所产生等离子体的诊断需求，通过 广泛深入调研国外在加速器诊断方面的成果，提出自己的诊断方案并开展实 验测量；其次，对加速器主体部分一同轴枪内部等离子体的运动原理进行理 论建模：最后，将模型理论结果与实验诊断结果进行比较、分析，从而更好 地把握装置运行机理，为调节或控制装置运行状态提供一定的理论依据，进 一步优化加速器的物理设计。 第2 章等离子体碎片加速器 2 1 工作原理 第2 章等离子体碎片加速器 等离子体碎片加速器的基本结构如图2 一l 所示。这一装置的主体有两部 分：同轴等离子体枪和压缩线圈。等离子体同轴枪由圆柱状内电极和圆筒状 外电极组成，它们之间彼此绝缘。运行时，在两电极问加脉冲高压，同时注 入脉冲气体，气体在电极间击穿后形成电弧，放电电流又形成角向磁场。流 经电弧的电流在磁场的洛仑兹力，b 的作用下，向外加速运动( 图2 2 ) 。 图2 - 1等离子体碎片加速器 为了提高等离子体的密度，又在同轴枪后加一级锥形线圈，对等离子体 进行压缩。其作用机理是锥形线圈内的角向电流的磁场在等离子体内感生一 个反向电流，和线圈电流的斥力使等离子体得到压缩。圆锥线圈右端出口就 是喷嘴。为简化设计，压缩线圈不单独供电，而是当等离子体从同轴枪喷出 后，将线圈左端和中心电极( 高压) 短路，产生一个并联放电回路( 图 2 3 ) 。 图2 - 2等离子体的加速 图2 - 3不同放电阶段电流流向 高速、高压、高密度的等离子体通过压缩线圈末端的喷i 嘴喷出，传递动 量给微粒( 例如，玻璃珠) ，使微粒获得1 2 0 k m s 的速度，从而可以在地 面实验室模拟空间微小碎片对航天器的撞击效应。 2 2 等离子体碎片加速器的结构 整个设备由脉冲功率源、等离子体同轴枪、微粒喷射和颗粒测量系统等 四部分组成。主要包括同轴等离子体枪、压缩线圈、脉冲充气阀、储能系 统、颗粒操纵器、微粒测量、真空室等部分。其主要设计参数为：总储能 第2 章等离子体碎片加速器 2 3 0k j ：最高工作电压3 0k v ；工作气体h e a r 。 一同轴枪和压缩线圈 在外电极外壁沿等离子体加速方向开有三个诊断窗口，可以插入光纤或 测量线圈。内外电极间用尼龙固定绝缘。大气环境下耐压2 0 k v ，内外电极 分别通过底座和主传输板的上板( 高压) 和下板连接。 压缩线圈用直径5m m 铜丝绕制。一端用尼龙绝缘固定在外电极，另 一端固定在喷口。压缩线圈部分处在一个可拆卸的真空室内，有管道与主抽 气系统相连，有观察窗和真空测量规管，有一段波纹管消除应力。 同轴电极和压缩线圈主要参数为( 表2 一1 ) ： 表2 ，1压缩线圈尺寸 内电极外径 2 8m m 外电极内径 4 0 r a m 内电极睦 2 5 0 m 1 1 3 压缩线圈跃 1 1 0 r a m 压缩线圈线径 5m m 压缩线圈匝数 1 0 二 脉冲充气阀门 等离子体的运动和微粒飞行需要一个真空环境以模拟空间，因此整个碎 片加速器系统需要1 0 。p a 以下的气压，但气体击穿和一定密度的等离子体 的要求又需一定气体量，所以需要用脉冲充气阀门在同轴枪内产生瞬态气 压。由于气体扩散速度很高，要求阀门有快的动作时间和充分的气体量，为 此，选用自己研制的电磁脉冲充气阀门。 脉冲充气阀门是非常关键的部件。和同轴枪放电的时序有两种模式，一 是先放电，后打开阀门，用气体脉冲作放电触发；二是先充气，后在同轴枪 上加高压。在工作电压较高时往往采用后者。这就要求两组放电( 阀门和同 轴枪) 间有一个可控的延迟时间，并要求有主放电路( 同轴枪) 一个或一组 高效能( 低电感、高电流、长的寿命) 的放电开关。 三脉冲功率源( 储能系统) 用于同轴枪放电的脉冲功率源由储能电容器组、准恒流充电系统、平行 板传输系统、场畸变开关、同步触发系统和其它相关系统如泄放、触发和控 制等组成。 其中储能电容器组由3 2 台m c f 高压脉冲电容器组成，电容器的主要 性能为：电容量为1 6 b f ，最高充电电压为3 0 k v ，内感_ 卫凸 等离子体微小空间碎片加速器放电特性的测量与研究 图3 2 2 所示为在线测量等离子体碎片加速器同轴枪内中性气压分部的 示意图，由于压力传感器需要接电荷放大器后才能接入示波器观察其输出信 号，而整个加速器装置处于高真空密封状态，因此需要将压力传感器的同轴 电缆输出端通过真空容器上的法兰与电荷放大器相连，但这种方法可能会造 成压力传感器与整个装置的耦合，从而引入频率为5 0 h z 的干扰，图3 2 3 中 波形1 为典型的干扰信号示意图，干扰信号的峰值可达5 0 m v 。为保证实验 的正常进行，需要采取措施消除该嗓声干扰。 图3 2 2同轴枪内气压分布测量示意图 经过分析，该噪声的引入是由多点接地造成，具体包括两方面，其一可 能是装置与压力传感器独自接地而造成多点接地，其二可能是法兰处相连的 同轴电缆屏蔽层与真空容器壁导通，从而也造成多点接地，进而造成传感器 与碎片加速器的耦合。对于原因一，检查整个测量装置，包括示波器，电荷 放大器，以及等离子体碎片加速器的接地端，保证压力传感器没有多点接 一2 一 第3 章等离子体碎片加速器放电参量的诊断 地；对于原因二，需要检查真空罐法兰的连通器，保证连通处与碎片加速器 之间绝缘，消除多点接地隐患，从而消除测量时的干扰噪声。经过以上措 施，噪声被基本消除。 图3 2 3 噪声干扰信号 图3 2 4 压力传感器置于同轴枪起始端时示波器的信号 导高于悴徽小罕司砰片加速器放电特性的测量与研究 = = = = ! = = = = = = ! = ! = = = = = = = = = ：= = ： ：= 图3 - 2 4 为压力传感器置于同轴枪起始端时示波器所得信号( 阀门充电 电压1 8 k v ，前级气室气压为o 2 m p a ) ，其充气脉冲的延迟时间为3 0 0 4 0 0 9 s ，从图中可看出真空环境与大气环境下阀门充气时间特性大致相同； 图3 - 2 5 为该条件下同轴枪内中性气体压力分布图，坐标原点对应时刻为脉 冲电磁阀放电瞬间，x 为离同轴枪起始端的距离。 图3 - 2 5同轴枪内氩气气压分布 由图3 - 2 5 可以近似估算出等离子体加速器放电时中性气体的平均密度 ( 实验中使用了氩气) 。假设气体处于理想气体状态，理想气体状态方程 为： p v = n r t 或d ：些 r i 。 式中j p 为气体压力，v 为气体体积，t 为气体的绝对温度，n 为气体摩 尔数，r 为摩尔气体常数，尺= 8 3 1 j m o l e k 。，m 为气体的摩尔质量。同 轴枪内等离子体加速时间为s 量级，因此可以认为从等离子体产生到脱离 同轴枪末端该时段内同轴枪内气压保持恒定。脉冲电磁阀充气8 0 0 1 0 0 0 u s 第3 章等离子体碎片加速器放电参量的诊断 后碎片加速器放电，则该瞬间同轴枪气体平均气压约为6 0 0 p a ( 根据气压分 布图) ，则经过计算可得到放电时氩气在同轴枪内的平均密度为 p 。，= l x l o k g - m 一，该值可用作同轴枪放电的雪耙模型中的输入参数。 3 2 2 加速器放电电流的测量 加速器的放电电流是一个重要参数，与电容储能系统的能量释放效率、 等离子体及微粒的加速效果有着直接的关系，是一个重要的诊断内容，是调 试装置运形状态的重要依据。该加速器为脉冲运行装置，采用罗科夫斯基线 圈是测量脉冲放电电流的最佳方法。由于线圈本身与待测电流回路没有电连 接，与放电回路有着良好的电气绝缘，再加上这种线圈结构简单、易于加工 和安装，而且线圈的骨架采用非铁磁性材料做成，因而频带较宽，自身的上 升时间可做得很小( 纳秒量级) ，因此罗科夫斯基线圈非常适合用于测量高 频大电流。 3 2 2 1 罗科夫斯基线圈的测量原理 图3 2 6 罗科夫斯基线圈 等离子体微小窄间碎片加速器放电特性的测量与研究 罗科夫斯基线圈的结构如图3 2 6 所示，将导线间隔均匀地绕在一个环 形的、截面均匀的非铁磁材料支架上，其中一端沿环形支架的轴线回绕后与 另一端构成线圈的两个输出端。测量时，使得被测电流，( f ) 垂直于线圈所在 平面并从圆心穿过，假设载流导体为无限长直导线，并假设电流产生的磁场 占在线圈截面上均匀分布。若整个线圈匝数是，线圈截面圆心所在园环 的半径为r ，线圈的横截面积为s ，可得到线圈中的磁通匝链数为： 巾( f ) ：掣( f )( 3 1 ) z 刀 式中t 。= 4 ，1 0 h m 。根据电磁感应原理，在线圈上产生的感应电动 势为： p ( f ) = 一了d o ( t ) = 一i a o n s 百c a ( t ) ( 3 2 ) 、。d t 2 # 口d t 因此，线圈直接输出的为被测电流的微分，需要对线圈输出进行积分， 得到正比于被测电流的电压信号。 3 2 2 2 线圈参数及电路设计 获得积分输出可以有两种方案：一种是采用小取样电阻直接输出方法， 另一种是研制积分电路，在实际测量中对两种方案分别进行了试验。 方案一：小取样电阻法： 图3 2 7 为小取样电阻法的等效电路，其中，三是线圈的自感，r 是绕 线电阻，r 。是取样电阻。若线圈绕组r ， z ，取样电阻r o z ，、r 。 r ，这样，线圈的感生电动势8 ( f ) 几乎全部降落 在取样电阻上。经过积分后的输出电压为： ，= 去m 矾= 一丽- t o n s = 一志 ( 3 6 ) 等离子体碎片加速器装置的设计参数为：当电容器组全部使用且充电电 压为2 0 k v 时，电流脉冲周期3 0 4 0 “s ，电流峰值o 8 1 m a 。在实际测量 中，对上述两种方案都进行了实验，设计过程中需同时考虑线圈的空间结构 以及其绕线强度。对于前者，虽然方法简单，不需要另外研制电路，但是对 于所设计的线圈支架以及其绕线，线圈匝数n 需大于1 3 0 0 ，而该支架实际最 多能容纳改直径的绕线共8 0 0 匝。因此，该条件下r ， 1 ，、1 分别为同轴枪外电极内径和内电极外径) 情况。根据以上假设，有： g ( o ) = q ，( o ) = 0 = 口( o ) ( 4 1 ) 定义等离子体片前端到绝缘层的距离为z ( ，) ，则： z ( o ) = ( 4 2 ) 同时认为等离子体初始速度为零，即： 2 ( o ) = 0 ( 4 3 ) 并注意到： m 卜鲁 ( 4 4 1 图4 1同鞠枪物理模型 4 2 控制方程 接下来导出放电时同轴枪内的两个随时间变化的耦合方程，即电路方程 和等离子体片运动方程。 4 2 1 电路方程 图4 2 为加速过程的等效电路，可以将其看成简单的r l c 回路，回路 的电容为c ，电感为 三p ) = 上o + 三g ( r ) ( 4 5 ) 式中l o 为外部回路电感，包括电容器、开关、传输板等外部电路元件的电 感：上。( r ) 为同轴枪绝缘层到等离子体前端之间的同轴电极的电感： 三。( ，) = ( 。2 ，v ) l n ( r o ) z ( f ) ( 4 6 ) 回路电阻月( r ) = r 。+ r w ( f ) + r p ( f ) ，式中r 。为外部回路电阻，r 。( r ) 为 同轴枪内外电极导体电阻，r p ( f ) 为等离子体片电阻。我们认为同轴枪是理 想导体，即r 。( r ) = o ，同时假设等离子体电导率为无穷大，即r ，( f ) = 0 ，因 此g ( t ) = r 。 根据能量守恒原理可以得到电路方程，假设( r ) 为将同轴电极的可变 电感激发到电流，( r ) 所需要的能量，( f ) 为电感的感生电动势，( r ) 为电感 的磁通，则： ( f ) = 三g ( ，) m ) 兰! 兰垦丝堡竺皇竺童塑堡型 而 因此 (f)：一de(t)：一三gj一三g，dt 6 警斗 i = l g 州= 丢( 扣2 ) + 2 由能量守恒可以得到 即 哪) = 吉l g i2 ( 叶告n 戌，冲 鬈+ 抄+ + 知卟巾= 。 崧申 = - 1 2 r _ 将，( r ) ：一粤代入上式可得： ( 4 7 ) ( 4 8 ) 【三o + l g ( f ) 口+ r o + l g ( f ) 口+ ( 1 l c ) q = 0 ( 4 9 ) 上式即为回路的电路方程。 图4 2 同轴枪等效电路 4 9 l ；( t ) l 一 量皇王竺堡尘耋堡至竺垫堡兰竺皇塑些些堡些圣篓耋量：= 4 2 ，2 等离子体片的运动方程 等离子体片受洛仑兹力沿同轴电极运动，是一个质量不断增加的过程， 等离子体的瞬时动量为m ( f ) 2 ( f ) ，其中等离子体片质量为： ( f ) = 肛( 督一- 2 ) z ( f ) 式中p 为同轴枪内中性气体密度( 未涉及等离子体片的厚度及其密度) 。同 时，由于雪耙模型中假设等离子体的电导率无穷大，磁场不会渗透到等离子 体中，因此洛仑兹力是驱动等离子体片运动的唯一动力。在半径r 处， 日( ，) ：地1 1 2 ，等离子体片受到的磁压为胃2 ( ，) 2 屯，则等离子体片所受 的总磁压力为： f = f 等z 刀咖5 铷 据冲量定理，等离子体片运动方程为： 州七一2 ) 丢( 毖) = 磊 d o1 n ( 等) 口2 或： z 2 十2z ：【( 风4 z r2 9 ) l n ( r o ) ，( 右一。2 ) 0 2 ( 4 t o ) 即等离子体片的运动方程。 综上所述，同轴枪放电过程的控制方程为式( 4 1 ) ，( 4 2 ) ，( 4 3 ) ，( 4 9 ) ， ( 41 0 ) ： 肛+ b z ( t ) q + j r 。+ b z ( ) 】4 + ( 1 7 c ) q 2 0 1 ) l 痃+ 22 = 田2 ( f ) 初始条件为： 第4 章同轴枪放电的雪耙模型 其中： q ( o 、= q 0 q ( 0 ) = 0 z ( 0 ) = a 0 z ( o ) = 0 ( 4 1 2 ) 口= ( a o 4 t r2 p ) l n ( r a 1 ) ( 疗一r , - ) ( 4 13 ) b = ( 2 r e ) l n ( r oi r , )( 4 1 4 ) 同时，对于所有f 0 时刻，均有z ( t ) 0 。 如果能解出常微分方程组( 4 1 1 ) ，则可以得出装置的放电电流 j = 一日( f ) ，以及同辅枪内等离子体的速度v = 2 ( f ) 。但研究表明该方程组无 解析解，需通过数值方法求解。本文中使用了m a t l a b 程序给出其结果， 下文简单介绍m a t l a b 微分方程的数值解法，并给出方程组的一些典型 解。 4 3 同轴枪控制方程的m a t l a b 数值解法 由于微分方程的多样性，使其有很多不同的解法，m a t l a b 给出的七 种解法分别由七个不同的函数来完成。 对于一个常微分方程组，如果其j a c o b i a n 矩阵的特征值相差十分悬 殊，那么这个方程组就称为刚性方程组。对于刚性方程组，为保持解法的稳 定，步长选取十分困难。有些解法不能用来解刚性方程组，而有些解法对稳 定性的要求不严格，可以用来解决刚性问题。对于m a t l a b 提供的几种解 法的解体类型，将在下面详细介绍。 m a t l a b 为解决常微分方程初值问题提供了一组配套齐全、结构严整 的命令，包括：微分方程结算命令、被解算命令、调用的常微分方程文件格 式命令、积分算法参数选项( o p t i o n s ) 处理命令以及输出处理命令等。关 于这些命令的含义、特点和使用范围等如表4 1 所示。 表4 1初值常微分方程解算命令表 命令 含义解题类特点使用场合 开4 解 o d e 2 3 普通2 ，3非剐性属于单步法：采用2 、3 阶龙较低精度 算阶法解 格一库塔( r u n g e k u t t a ) ( 1 0 。) 场 命 o d e 法，累计截断误差( 6 x ) 3 令 o d e 4 5 普通4 、5非刚性单步法：采用4 、5 阶龙格一大多数场合 阶法解库塔法，累计截断误差血的首选算法 o d e o d e l l3 普通变阶 非刚性多步法：采用a d a m s o d e 4 5 计算 法解o d eb a s h f o r t h m o u l t o np e c e 算时间太长， 法，高低精度均可( 1 0 用其取代 1 0 1 6 ) o d e 4 5 o d e 2 3 t 解适度刚适度刚采用自由内插法实现的梯形适度刚陛且 性o d e性 规! l 【j ( t r a p e z o i d a l r u l e ) 法 要求无数值 衰减的情况 o d e l 5 s 变阶法解剐性多步法：采用g e a r s 反向数当o d e 4 5 失 刚性o d e值微分算法，精度中等败时使用， 或存在质量 矩阵时 o d e 2 3 t b 低阶法解刚性采用t r b d f 2 法实现，即梯低精度时， 刚性o d e形规则一反向数值微分比o d e l 5 s 有 ( g e a r ) 两阶段算法，低精效，或存在 度质量矩阵时 o d e f i l e 常微分方程( o d e ) 文件格式 选 o d e s e t 创建、更改常微分方程选项的设置 项 o d e g e t读取o d e 选项的设置 输o d e p l o to d e 的输出时间序列幽 出o d e p h a s 2o d e 的二维相平面图 o d e p h a s 3o d e 的三位相平面图 o o d e p r i n t在m a t l a b 命令窗口显示结果 第4 章同轴枪放电的雪靶模型 表中的单步法是指只需要前一步的解即可计算出当前的解，不需要附加 初始值，在计算过程中可随便改变步长而不会增加任何附加的计算量。表中 的多步法是指需要前几次的解来计算当前的解。 对于n 阶微分方程初值问题，由于函数及其至( n 1 ) 阶导数在某自变 量点的值已知，所以由泰勒级数展开，可算得新的函数及导数值。在 m a t l a b 中，具体利用其命令来解初值问题的步骤是： ( 1 ) 根据在工程中的规律、定理和公式列出微分方程及相应的初始条 件。( 2 ) 运用变量替换，把一个高阶方程改写成一阶微分方程组，初始条件 也要做相应的替换。( 3 ) 根据变换后的一阶微分方程组，编写计算导数的 m a t l a bo d e 文件。( 4 ) 使编写好的o d e 函数文件和变换后的初值供k 微 分方程解算命令( 如表l 中所列) 调用，运行后即可得到y ( 包含y 及其导 数