（电气工程专业论文）脉冲消融毛细管放电等离子体的理论和实验研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 脉冲消融毛细管等离子体发生器产生的等离子体射流具有高密度和相对低 温的特性，在电热发射和电热化学发射以及其他科学研究和工业应用领域都具 有潜在的应用前景。本文提出一种新型的两间隙毛细管结构，解决了毛细管的 重复放电问题。这种结构的毛细管本身具有电流开关的作用，因而不再需要大 电流脉冲开关装置，简化了脉冲功率电源系统。 文中通过两间隙毛细管在 1 千焦电能水平下的主间隙放电实验， 仔细研究了 消融控制电弧负载的稳定阻抗、峰值电流、电弧电压和放电功率等主要放电特 征参量随毛细管几何尺寸、 放电电容以及起始充电电压等放电参数的变化规律， 考察了两间隙毛细管的使用寿命和在重复放电时的放电特性。利用主放电的数 值模拟研究了各放电参数对两间隙毛细管的质量密度、压强、温度和速度等出 口参数的影响，给出了生成的等离子体的各种基本性质。 文中建立了一个两间隙毛细管的触发放电模型， 模型考察了管壁消融对触发 放电过程的影响，发现管壁消融能大幅度地减小触发时延。模型同时给出了计 算触发时延的方法。 文中提出了一种含祸合电感的双脉冲电 源电路， 并从理论和实验两方面验证 了双脉冲电路应用于电热化学发射技术的可行性。 总之， 本文围绕两间隙毛细管的工作特性进行了系统的实验和理论研究， 所 得到的结果不但为消融毛细管等离子体的工程实践提供了丰富的信息，也为消 融放电等离子体科学与技术领域进一步的研究工作提供了若干新的观点和方 法 。 关键词:脉冲毛细管放电 非理想等离子体 等离子体发生器 等离子体射流 消融控制电弧 模拟计算 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs tract e l e c t r o t h e r m a l p l a s m a s a r e c h a r a c t e r i z e d b y h i g h n u m b e r d e n s i t i e s a n d r e l a t i v e l y l o w p l a s m a t e m p e r a t u r e s . e l e c t r o t h e r m a l p l a s m a d e v i c e s a r e o f g r e a t i m p o rt a n c e i n e l e c t r o t h e r m a l o r e l e c t r o t h e r m a l c h e m i c a l l a u n c h e r s a n d m a n y o t h e r t e c h n o l o g i c a l a p p l i c a t i o n s . i n t h i s t h e s i s ，a n o v e l t w o - g a p c a p i l l a r y p l a s m a g e n e r a t o r ( t g c p g ) i s d e v e l o p e d a s a r e a l i s t i c a l t e rna t i v e t o t h e c o n v e n t i o n a l c a p i l l a ry i n e l e c t r o t h e r m a l l a u n c h e r s a n d e x p e c t e d t o b e a v e r s a t i l e c a p i l l a ry p l a s m a g e n e r a t o r f o r o t h e r a p p l i c a t i o n s . i t i s d e s i g n e d t o a c c o m p l i s h t w o g o a l s : r e p e t i t i v e o p e r a t i o n a n d a c o m p a c t p o w e r s u p p l y s y s t e m i n w h i c h c a p i l l a ry i t s e l f s e r v e s a s a c l o s i n g s w i t c h . i n a d d i t i o n , a s i m p l e p o w e r c o n d i t i o n i n g s y s t e m w i t h w h i c h a t w o - p u l s e d i s c h a r g e c u r r e n t c u r v e c a n b e g e n e r a t e d f o r e l e c t r o t h e r m a l l a u n c h e r s i s a l s o d e v e l o p e d a n d i t s f e a s i b i l i t y i s t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y e x a m i n e d . i n t h e e x p e r i m e n t a l p a rt o f t h i s t h e s i s , t h e d e p e n d e n c e o f c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a i n d i s c h a r g e o n t h e s i z e o f c a p i l l a ry , m a i n c a p a c i t o r a n d i t s i n i t i a l c h a r g e d v o l t a g e i s o b t a i n e d . t h e l i f e e x p e c t a t i o n o f t g c p g a n d t h e s t a b i l i t y o f t h e d i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c s u n d e r r e p e t i t i v e o p e r a t i o n a r e e x a m i n e d . t h e d e p e n d e n c e o f t h e t r i g g e r d e l a y t i m e o f t g c p g o n t h e c a p i l l a ry s i z e a n d t r i g g e r e n e r g y i s a l s o s t u d i e d . t w o o n e - d i m e n s i o n a l t i me - d e p e n d e n t m o d e l s o f t g c p g a r e p r o p o s e d t o s i m u l a t e t h e t r i g g e r p r o c e s s a n d t h e m a i n d i s c h a r g e p r o c e s s r e s p e c t i v e l y . t h e d e p e n d e n c e o f t h e e x it p a r a m e t e r s s u c h a s p l a s m a d e n s it y , p r e s s u r e , t e m p e r a t u r e a n d v e l o c i t y o n t h e s iz e o f c a p i l l a ry , m a i n c a p a c i t o r a n d i t s i n i t i a l c h a r g e d v o l t a g e i s s t u d i e d , t h e t r i g g e r d e l a y t i m e i s a l s o c a l c u l a t e d a n d i t s c o m p a r i s o n w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s g i v e s a g o o d a g r e e m e n t . i t i s f o u n d t h a t c a p i l l a r y w a l l a b l a t i o n c a n g r e a t l y c h a n g e t h e b e h a v i o r o f t r i g g e r d i s c h a r g e a r c a n d d r a s t i c a l l y d i m i n i s h e s t h e t r i g g e r d e l a y t i m e . i n a w o r d , t h i s s t u d y f o c u s o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f p l a s m a s g e n e r a t e d i n t g c p g d i s c h a r g e s b y a b l a t i o n - s t a b i l i z e d a r c s , a n d s o m e v a l u a b l e c o n c l u s i o n s a r e d r a wn . k e y wo r d s :p u l s e d c a p i l l a ry d i s c h a r g e ab l a t i o n c o n t r o l l e d a r c p l a s mas i mu l a t i o n n o n - i d e a l p l a s m ap l a s m a j e t 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位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， 除文中己 经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他 个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到， 本声明的法律结果由本人承 担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : -1w -m 孔 日 期: ” 户 年z 月, z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口 不保密扩一年 ” 密 ” 适 用 本 授 w a ( 请在以上方框内打 “4 1 1 ) 学 位 论 文 作 者 签 叔解 阁 日 期9 - 0 仁 年乞月， ， 日 指导教师签名: 融 刘 饥 日 期y o 年o f 月白 华中科技大学博士学位论文 1 引言 电热等离子体是电流加热产生的电离气体，具有相对高密( 1 0 “一1 0 2 7 m 。3 ) 和 相对低温( 1 5 e v ) 的特征。这种等离子体可由毛细管中的金属丝爆炸或消融控 制电弧产生。在电热和电热化学发射技术中，电热等离子体发生器装置起着电 热转换和点燃枪炮燃烧室中的化学推进剂并控制其燃烧过程的关键作用。图1 1 是典型的电热化学炮的工作原理图。其中的消融放电毛细管就是电热等离子体 射流发生器。它产生的高温高能等离子体射流点燃燃烧室内的化学药剂，并控 制其燃烧过程，从而提高化学药剂的燃烧率，克服常规火炮的不足，使炮弹的 出膛速度突破2 k m s 的极限。 图1 1电熟化学炮原理图 历史上人们首先是致力于电热发射技术的研究。它有几个优点。一是只用电 能不需任何化学燃剂，这样在选择工作气体上有较大的自由度，通常采用轻 质塑料如聚乙烯或聚碳酸酯等作为烧蚀材料，以获得更高的发射速度。另外， 电热炮的炮膛可以做得较化学炮的小。不过电热发射技术需要极高的电能储能， 这妨碍了它的实用性。电热化学发射则是结合化学和电热发射的先进技术，它 需要的电储能大大减小。 电热和电热化学发射用的消融放电毛纲管的长度通常在几个厘米到十几厘 华中科技大学博士学位论文 米之间，内径仅为几个毫米。管壁通常采用轻质塑料如聚乙烯筹易烧蚀材料制 成，如图1 2 所示，其中封闭端是一杆式阳极，开口端是一中空的阴极。外部电 路是脉冲功率电源，称作脉冲成形网络( p f n ) ，为毛细管放电提供电能。当两 极加上脉冲高电压，金属爆炸丝由于通过大电流而爆炸，弓f 起极间击穿，形成 烧蚀电弧，消融聚乙烯管壁材料，并加热使之成为等离子体。随着毛细管内温 度和压力的升高，等离子体在开口端形成喷射。p f n 提供的总放电能量一般为 几千焦到几百千焦甚至到i 兆焦，放电时间为毫秒量级，等离子体射流的速度 可达1 0 k m s 。 橙 图1 2 消融放电毛细管 目前，由于电热和电热化学发射技术研究的需要，世界各国纷纷开展对毛细 管消融放电实验和理论研究。不过，消融控制电弧等离子体发生器工作电压高、 电流大，并且放电过程中呈现出明显的非定常流动特性，因此，伴随着这种电 弧放电所产生的电磁干扰使得电测技术应用的难度加大【1 1 。尤其对于压力测量， 等离子体的导电性及等离子体发生器本体在大电流放电过程中的电位浮动，使 得压力测量必须采用附加装置对传感器进行电位隔离，因而造成压力测量的精 度下降【孙。同时消融控制电弧等离子体的高温特性及其光谱分布需要应用原子 发射光谱的多条谱线才能获得等离子体温度，而由于受到现有光学多通道分析 器( o m a ) 扫描速率的限制，使碍这种仅具有毫秒级工作周期的电弧等离子体测 温只能获得平均意义上的数值。并且由于消融控制电弧的高气压特性，通常只 能测量等离子体发生器喷口处的温度值【 。另外，高温等离子体辐射光谱以紫 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 外光为主，因而给电弧等离子体可视化观测带来了 困难4 1 。到目 前为止，仍只 有电流和电压的测量方法较为成熟。因此，消融放电的理论研究就成为描述毛 细管内等离子体演变，特别是估计难于测量的等离子体参数的重要手段. 1 . 1毛细管消融控制放电 在一个很宽的气压范围内， 都可以产生电弧等离子体。 电弧等离子体中往往 有大电流通过，与电流通过电阻器一样电流在电弧等离子体中要产生大量的焦 耳热。通常利用对器壁进行冷却的方法来控制并稳定电弧的运动，但当压强和 电流增大时，器壁及时冷却的难度也随之增大。所以，这类电弧的温度和电离 度的提高会受到限制。为了控制和稳定毛细管内的高压电弧，易消融的材料被 用来制作毛细管放电的器壁。利用器壁材料的消融烧蚀过程来冷却电弧，这样 的电弧称作消融控制电弧( a b l a t i o n 必n t r o l l e d 么 r e ) . a c a是一种特殊的对流冷 却电弧，毛细管绝缘壁受到来自电弧区的热流的加热并消融，产生的消融蒸汽 继续被加热，形成新的等离子体，补充由于毛细管开口端喷射而带来的质量损 失: 对a c a的 研究 始于4 0 年 前， r o z a n o v l 1 和o g u r t s o v a 16 1 等首先提出 消融物 质 的轴向输运控制细长毛细管内的放电电弧概念，并假定放电能量全部转化为电 弧辐射热，得出等离子体的温度和压强随毛细管尺寸和放电电流变化而改变的 关系。 随后， n ie m e y e r 7 1 , l b r a h i m e8 1 , k o v i ty a 和l o w k e 19 1 等认为 毛细管 放电 区 域可分成两部分， 并利用毛细管放电的两区模型模拟a c a放电。 两区模型认为 毛细管放电时电弧与管壁之间存在一不导电的消融蒸汽层。在放电过程中，蒸 汽层和电弧之间将进行能量质量交换。电弧以黑体辐射形式向外传热，蒸汽层 将吸收其中的一部分辐射能，其余部分作用在毛细管壁上产生消融;反过来管 壁消融材料以气态形式进入蒸汽层，在蒸汽层被加热，然后以等离子体的形态 进入电弧区。 一 一 一. 一一一 一一 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 自上世纪 8 0 年代，由于电热和电热化学发射的需求， a c a的研究进入了一 个快速发展的时期。 以 色列幼e b 和k a p l a n 于1 9 8 9 年在准稳态条件下推导出 一 系列的 等离子 体参数的定 标律1 10 1 。 这些定标 律很直 观地表示了 等离子体 参数 温 度t 、 电阻r、 压强p 和质量密度p 等与毛细管的长度i ( 单位: c m) , 半径a( 单 位: m m)以及通过等离子体的电流1( 单位:k a) 之间的大小关系。其形式如 下 : t = ( 1 .3 5 e v ) 刀 2 / 1 1 p/ 1 a - 6 1 11 r = ( 0 .2 2 5 2 ) 夕 8 11 1 1 - 6 11 1 l a - 1 3 1 11 p = ( 0 .0 4 k b a r ) 刀 1 1 1 1 1 1 4 n 1 1 a - 3 2 11 1 p = ( 1 0 4 g / c m 3 ) . p s n 1 1 1o n tia - 26 1 11 ( 1 . 1 ) ( 1 .2 ) ( 1 . 3 ) ( 1 . 4 ) 式中q 是s p i t z e r 等离子体的修正系数， 是一个略大于1 的无量纲量，它与等离 子体温度和平均电离度z有如下关系: ,8 = 1 + 2 .8 1 0 - 2 t ( e v ) 2 / 2( 1 . 5 ) l - k定标律在毛细管结构和电源电路的设计中具有很重要的实用价值。 美国g i l l i g a n 和m o h a n t i l 于1 9 9 1 年 提出了 一 个零维的 非定常a c a 模型。 其特点在于模型中包括一个考虑边界蒸汽层对电弧辐射的吸收效应的管壁消融 模型。由 等离子体区传入毛细管管壁的 热流4 采用如下表达式: 9 = 方， t 0s( 1 . 6 ) 这部分能量用来消融管壁材料并进一步加热使之离解、电离成为等离子体。 其中a s t 4 为黑体辐射热流，f 是蒸汽层的能量传输系数。 该系数可以 利用实 测 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的消融质量与计算结果相对照的方法来确定。 g i l l i g a n 和m o h a n t i 只给出了消融 材料为聚碳酸脂情形下f的定标率。 美国p o w e l 1 12 等和以 色列z o l e r 1 2 1 等于1 9 9 3 年分别采用一维非定常模型模 拟电热化学炮中的毛细管a c a特性， 他们的模型实际上是考虑焦耳加热和毛细 管壁材料烧蚀的一维流体力学方程组。前者计算等离子体热力学和输运特性时 考虑等离子体的非理想性效应。后者则利用大量的实验数据进行拟合得到等离 子 体 热力学 和输 运特性。 h u r l e y 等 13 】也采 用一 维非 定常流体动力学对电 热发 射 装置的等离子体源和枪管中的等离子体形成和流动进行了数值模拟。在这个模 型中考虑了等离子体流动的粘滞项。 法国j a c o b 1 4 ! 等于1 9 9 5 年提出一个全局的电热炮a c a零维非定常模型， 把 毛细管放电过程以及弹头在炮膛中运动的内弹道过程结合起来。 恒方程 ( 能量 体温度、质量 、质量和电荷)对整个放电时间积分得到定标律， 利用基本的守 反映了等离子 、电阻率以及通过等离子体的电流与放电能量之间的关系。他们 的模型认为等离子体向管壁的热辐射只能将聚乙烯分子从壁面剥离，对消融蒸 汽的加热、离解和电离过程是在电弧区完成的。 美 国z a g h o u l 1 5 】于2 0 0 0 年 发 现以 往的a c a 等 离 子 体电 导 率 计 算 模 型 均会 引 起较大的误差，因而提出一个半解析的a c a等离子体的电阻计算方法，以此提 高模拟计算的精确程度。 中国的栗保明 和成剑于 2 0 0 2年 1 6 1 根据实验结果计算出来的热分解反应动 力学参数建立毛细管消融模型。在定壁温的假设下，通过化学反应速率常数计 算出毛细管的消融速率，并将其应用于等离子体发生器的数值模拟。在他们的 数值模拟中还考虑了电极烧蚀、等离子体流动的粘滞项等。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 2非理想等离子体 由分子运动论可知， 理想气体中的粒子在绝大部分时间里是自由运动的. 粒 子间 距为n - 1 ， 的 相互作用势帆 n - 与比 粒 子的自 由 运动动能 小很多， 后者可以 表示为k t ( k是b o l t z m a n n常数，t是热力学温度) 。因此，对于理想气体 p (n - 1/3 ) -ibm 理 想 等 离 子 ”一 如图1 . 3 所示， 消融毛细管等离子体参数y 的 大小大约在。 . 1 和1 之间， 属 于 弱 非理 想 等离子体范围。 图1 .3 中 的l 是 指l a n d a u 长度， 几是德布罗 意波 长， 直 线n , 毛= 1 的上 方是费 米分布区， 下 方是玻 尔兹曼分 布区; 直线l = a ， 的 左 方 是经典力学区，右方是量子力学区。由图可知，消融等离子体仍遵从玻尔兹曼 分布，属于经典等离子体范畴。 目州，.，内网，月，甲，.目 7 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 y /。 ， r尹尹沪0z l = x , 尹沪沪 .巾度密子电 1 0 3 1 0 4 1 0 0 温度 ( k ) 1 0 e 1 0 消融毛细管等离子体的非理想性 进行以上的等离子体非理想性的划分， 其目 的在于将理想等离子体的二体碰撞模 型的处理方法推广到弱非理想等离子体区。这样在加以非理想效应的修正之后理想 等离子体的各种处理方法仍适用于弱非理想等离子体，而无需采用更复杂的多体碰 撞的处理方法。 早期电热消融等离子体研究都忽略了非理想效应。实际上，电热消融等离子体 的非理想效应对等离子体的热力学和输运性质的影响是很明显的。近几十年来，随 着现代脉冲功率技术的发展，非理想等离子体的特性研究越来越受到重视。总的说 来， 非理想等离子体效应主要体现在电离能降低和等离子体压强增大这两个方面。 由于等离子体中电子和离子间的不可忽略的库仑作用，名义上自由的电子与离 子间 存在着弱的结合能，这样导致等离子体中原子的电离能较孤立原子时的要低， 因而在相同条件下电离度比理想等离子体的要高. 非理想等离子体粒子间的相互作用特别是带电 粒子间的库仑势，会引起等离子 体的压强的变化，理想气体状杰方程不再活用。 一一. ，.曰. 8 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 电离能降低，等离子体气体的电离度会相应增大，也就是说与理想等离子 体清 形下相比，等离子体成分发生了改变，其热力学和输运特性也会发生相应 的变化。对于 a c a研究而言，最重要的是等离子体电导率的变化，它关系到焦 耳加热项能否得到准确计算的关键问题.理想等离子体的电导率通常利用 s p it z e : 公 式 来计 算 1 7 1 . 不过， 在 非 理 想 等离 子 体 条 件 下， s p it z e r 公 式 得出 的 结 果与真实值有较大偏差，因而需要新的等离子体电导率模型。 非理想等离子体的电导率理论方法有 很多， 文献 1 8 - 2 1 1 中综述了 这些不同的 理论方法。目前， a c a研究领域中采用的弱非理想等离子体电导率计算模型有 以 下 三 种。 z o l l w e g - l i e b e r m a n n 模型 2 2 1 , k u r i l e n k o v - v a l u e v 模型2 3 和m o h a n t i - g i l l i g a n 模 型 2 4 1 . z - l 模型 修正s p it z e r 电 导率 公 式的 库 仑 对数项， 并考 虑 非 理想等离子体的非德拜屏蔽。 m-g模型在z -l 模型的基础上考虑非理想等离 子体的不完全屏蔽引起的能量较低的自由电子局域化现象。在 k -v模型中除 考虑自由电子局域化现象外，在计算碰撞频率时考虑电子与等离子体振荡间的 相互作用。 图1 .4 所示是以 上三种模型以 及s p i t z e r 模型随 等离子体非理想参数y 的 变化 曲 线。6 是 一 种规 范 化的 无 量 纲电 导 率， 其 定 义 式 为 19 . 2 2 1 3 8 . 0 z =一 不 丽 了 - 6, ; 3 1 2 t 3 ( 1 . 1 0 其中2是离子的平均电荷， t是等离子体温度， 6是各种模型的电导率表达式。 由图可以发现s p i t z e r 电导率在y 趋近于1 时发散，而其他三种电导率的计算方 法得出的结果克服了发散现象，并且彼此非常接近。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 了 . 5 ii k 一， 二 口. s 叮 尸 知 : 二 .: 。 ， _ z - l m- g 场灿节悯节召谧。勺:婆。圈夕破 户 . 声 . - . 0 . 20 . 40. 60 . s no n i d . 以 尸 a mme t e r .7 图1 . 4 各种等离子体电导率模型的比 较2 5 1 1 . 3毛细管放电等离子体的其他应用 毛细管等离子体研究的不断进步主要是由电热和电热化学发射技术的推动 自电热和电热化学发射作为一种新概念武器提出来，受到各国军事部门的高度 重视，被认为是突破常规火炮的重要途径。毛细管放电等离子体是电热化学炮 的关键技术，因而得以进行广泛研究，成为研究热点。由于它的独特的物理特 性，随着研究的不断深入，其应用范围也不断拓展，在其它领域如有害化合物 的处理，热喷涂和材料表面处理以及纳米新材料制备等应用也越来越广泛。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 .3 . 1有害化合物的处理 石油化工、塑料、油漆、杀虫剂等制造工业都要产生一定的有害化合物。处 理它们比较困难，而且会产生一定的环境污染。利用毛细管等离子体喷枪产生 高能脉冲等离子体射流，对这些有害化合物流体进行处理是一种新的技术，以 色列、德国、 法国 和比 利时四国正在共同开发 这项新的技术(2 6 1 。由 于这种高密 度、高速度的等离子体射流携带的动量很大，它在被处理流体中处于不稳定态。 由于与处理物之间的接触面积大，辐射热传递的效率一般比其他同类技术要提 高几个数量级。这项新技术的关键在于毛细管喷枪的设计。由于分解的需要， 要 求它产生的 等离 子体的 射流具有高 密 度( 1 0 - ; - 1 0 - g / c m 3 ) 、大功率( 1 0 - 1 0 0 0 m w ) ,高能量 ( 1 0 -1 0 0 0 k j ) 和高速度 ( 1 0 - 2 0 k m / s )的特征。要达到实 用的标准，等离子体喷枪需要每秒钟喷射一次，每次放电能量为3 0 k j ，放电时 间为。 . 3 m s ， 使用寿命要达到连续喷射1 0 5 次。 为了延长毛细管喷枪的使用寿命， 采用高密度的聚乙烯材料，并且每次放电前利用活塞式阳极向毛细管内补偿其 质量损失。 利用毛细管等离子体喷枪处理有害有机化合物是一种有效的易于控制的光 解技术。与其他同类技术相比，处理费用要少4 0 -5 0 i，被处理材料可以是卤 素化合物、亚磷化合物以及放射性废物等 1 .3 . 2热喷涂和材料表面处理 毛细管等离子体喷枪作为高性能喷涂设备，己经在以 色列2 7 1 和俄罗斯2 8 1 开 始研究。其结构类似于电热化学枪，有一个毛细管等离子体喷枪作为脉冲等离 子体引燃系统，燃烧室内则装有推进药剂和涂料粉末。一旦推进药剂被点燃， 产生的燃气将携带涂料粉沿枪管向喷涂基底喷射。一般的喷枪燃气压强曲线上 升时间长， 燃气速率场分布宽，难以获得高质量的喷涂。而电热化学喷枪有很 好的可控性，毛细管等离子体喷枪产生的等离子体的速度、密度、温度都可以 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 很方便控制，能在极短的几百微秒时间内使燃气压强上升到几百兆帕，从而获 得燃气的高速度;适当的选取枪管的长度可以得到适当的加速时间。理论和试 验都可以证明被加速的粉末最终可以达到1 k m / s 的高速度。因而能形成硬度大、 附 着力大的高质量均匀涂层。由于燃气的高密度，一次喷射可以加速 3 到5 倍 同 类技术的涂料粉数量，吞吐率很高。一般来说，点燃推进剂的等离子体射流 携带的能量只需几个千焦，其温度为3 0 0 0 0 k ，速度为7 k m / s 。试验证明，一次 喷 射可产生的厚度为2 0 0 p m的涂层，其硬度和附着力均达到相当高的水平。 脉冲高能高密度的等离子体射流还可以直接作用在金属表面， 并与材料表面 互相作用，使得表面形成一种与基底性质和结构不同的薄膜材料，改变金属表 面的性质。 消融放电毛细管是这种等离子体的理想发生器，德国m.r o t t 等人用 来处理金属和合金2 9 1 ， 采用的毛细管内 径为4 m m ， 长4 0 m m ，开口 端是一内 径 6 m m长6 0 m m的钢制枪管，其外部电源是专门为表面处理优化设计的脉冲功率 模块。由于高的能量沉积，使样品表面层温度在极短的时间内 ( 几个微秒范围) 上升到很高甚至熔化， 又迅速冷却凝固。 极高的冷却速度 ( 1 护 k / s ) 形成硬化薄 膜。这种薄膜具有极高的硬度和耐磨度。相对于其他的表面处理技术，采用消 融毛细管放电技术设备简单，无需真空环境，操作方便。在等离子体中添加一 些特定的材料，还可以改变薄膜成分。 1 .3 .3电热化学合成技术 电热化学合成技术是指用毛细管等离子体发生器产生的高温等离子体射流， 射入大气压下的室温气体，使得射流中的等离子体和过量的冷气体混和，生成 物很快的降温，形成纳米微粒3 0 1 。这是生成新物质特别是纳米结构的新物质的 理想条件。电热化学合成的毛细管等离子体发生器的结构和电热枪类似，其几 何结构、组成材料和工作条件的选取都是以提高阴极材料的汽化而尽量抑止管 壁的消融为目的.放电时电弧将集中在阴极的尖端，阴极内部被加热到接近熔 化温度，管壁是耐消融的材料如陶瓷等，并且毛细管半径稍微大一点，长度比 1 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 较小。通常因生成的材料不同，要求采用不同的消融电极，若电极是金属材料 如铝、钦等可生成纳米结晶陶瓷;石墨电极可生成一系列碳素原子簇材料。 纳米材料和碳素多面体原子簇已显示出重大的应用前景。 利用毛细管等离子 体发生器进行电热化学合成为这些新材料的制造提供的有效途径，而且其结构 简单，反应物生成率高。 1 . 4本文的工作 由于消融毛细管放电等离子体在越来越多的领域有潜在的应用前景。具有 重复工作能力且使用寿命足够长的毛细管消融放电等离子体发生器是这些应用 实现的前提。本文提出了两间隙触发方式的消融放电毛细管结构的设想，利用 触发间隙放电产生等离子体射流去连通主放电间隙，解决了消融毛细管的反复 触发问题。同时，本文还提出了一种新型的可用于电热化学发射的双脉冲电源 电路，它的结构相对其他类型的电热化学发射 p f n电路简单得多，自动双脉冲 成形，无需复杂的控制和调波模块。两间隙毛细管结构配合双脉冲自动成形电 路组成的无需大电流开关的消融控制放电等离子体发生器是本文的创新，我们 己申 报了专利 3 1 。而本文将主要围绕两间隙毛细管进行实验和理论计算两方面 的工作。深入研究这种新型结构的消融控制放电毛细管的工作特性，为进一步 研制具有长寿命的通用消融毛细管等离子体发生装置做准备。同时本文还为脉 冲消融放电等离子体的工程实践提供物理机理层面的相关支持。 本文的工作受到国家自然科学基金 ( 基金号:5 9 9 7 7 0 0 7 )的资助。以下是 各章的主要内容: 第一章是引言部分，介绍了消融控制放电等离子体的研究背景，对国外自 上世纪8 0 年代以来关于消融控制放电现象和非理想等离子体特性等方面的研究 状况进行了 综述。 最后列举了 消融放电 等离子体的几种在电 热和电热化学发射 之外的其他科研和工业领域的应用. 第二章是两间隙毛细管结构的设计，着重于解决中间电极即触发电极的形 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 状、电极和聚乙烯毛细管间的配合问题;还包括触发电路和双脉冲电源电路设 计等部分的内容。由于两间隙毛细管结构本身具有开关特性，与双脉冲电源电 路一起可组成一种无需大电流开关的消融控制放电等离子体发生器。这种新型 的 毛细管等离子体发生 器若用于电 热化学发射装置， 放电电 路中不再需要大电 流的脉冲开关，可以简化电源系统的结构，有利于实现电热化学发射的电源小 型化。 第三章是实验研究部分，包括触发放电实验和主放电实验两部分。触发放 电实验主要研究两间隙毛细管的开关的特性，分析触发时延与毛细管结构和续 流放电能量之间的关系。主间隙放电实验则仔细分析了负载稳定阻抗、峰值电 流等主要放电特征参量随毛细管几何参数的变化规律。同时，对两间隙毛细管 进行了重复放电实验，分析了毛细管在多次重复放电时的放电特性的稳定性， 并初步考察了毛细管使用寿命的影响因素。所得实验结论可用于进一步完善两 间隙毛细管等离子体发生器的结构设计和理论分析。 第四章中将给出计算电热等离子体的热力学和输运性质的方法。 考虑等离子 体非理想性对电热等离子体的压强、内能和电导率的影响。 第五章是两间隙毛细管触发放电过程的数值模拟部分。 较之主间隙放电， 触 发放电具有放电能量小，而放电时间更短的特点，其放电特性与主间隙放电有 明显的不同。本章建立了一个简单的触发放电模型，对两间隙毛细管触发放电 过程进行了数值模拟，同时研究管壁消融对触发放电过程的影响，解释实验观 测的两间隙毛细管触发时延的变化规律。 第六章是两间隙毛细管主间隙放电过程的数值模拟部分. 主间隙放电是消融 控制电弧放电，关于这种放电国外同行己经建立了一系列的理论模型，本章采 用其中的非定常一维模型来模拟主间隙放电过程。重点研究了毛细管出口参数 包括温度、压强、密度和速度等随毛细管放电参数的变化规律。 第七章是全文总结。 一一 一一一肋 ， ， . . . . 侧 . 喇 . . . . . . 皿 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 2 两间隙毛细管等离子体发生器 电 热和电热化学发射用的毛细管采用金属起爆丝的触发方式， 如图1 . 2 所示， 阴极和阳极之间由一根金属起爆丝相连，外部电路的脉冲功率电源对毛细管开 始放电时，金属起爆丝因大电流通过而爆炸，从而在毛细管内形成电弧。显然， 这样的触发方式不支持连续多次放电。 随着毛细管发生器在更广泛领域的应用， 如何延长毛细管的使用寿命就成为必须解决的问题。而要延长毛细管的使用寿 命首先就必须寻找一种合适的连续放电的触发机制。 以色列wa l d 等在毛细管每 次 放电前充入氨气，降低击穿电压2 6 1 ;德国k a r a s i n s k i 则采用雷管引燃铜、铝 和火药的混合物， 产生具有足够导电 能力的高温射流触发毛细管放电 (3 2 1 . 上述 两种非起爆丝触发方式均具有支持毛细管连续放电的能力， 不足在于结构复杂， 实现起来比较困难。 图2 . 1 两间隙毛细管原理图 本文提出一种简单的三电极两间隙结构的毛细管，解决了连续触发的问题， 其工作原理如图2 . 1 所示. 两1e 1 隙毛细管利用触发间隙放电产生等离子体射流连 通主放电间隙，这种触发方式具有多次放电的能力.若配合相应的电源调波电 路，还可以构成一个无开关的脉冲放电电路。这对于电热化学发射装置具有重 要的意义。因为毛细管本身具有开关特性，可充当电源系统的开关，电路中不 华中科技大学博士学位论文 再需要大电流的脉冲开关，至少可以降低对这些大电流开关性能的要求，从而 简化电源系统的结构。 2 1 两间隙毛细管结构 毛细管放电具有高电压大电流特性，管内气压高达1 0 0 m p a ，管壁材料在受 高压作用将导致内径扩张。理论和实验表明，毛细管放电生成的等离子体参数 与毛细管的内径大小有很大的关系。因此在毛细管结构设计中必须考虑采取相 应措施尽量减小这种不可控的内径变化。 m r o t t l 3 3 1 根据计算认为聚乙烯等塑料材料在毛细管的典型放电压强作用 下，毛细管容积的相对增大可达1 5 。如果毛细管外的支持结构硬度不够，结 果会更坏。因而指出一种优化的毛细管结构要求尽量减小毛细管的外径；有一 个硬度足够大的毛细管支持结构。 中间电极 管 夹具 图2 2 等离子体发生器结构图 除上述要求之外，毛细管结构的气密性和接头的机械强度和毛细管各部分与 电极之间绝缘也是需要考虑的因素。 图2 2 所示是本文实验中采用的等离子体发生器的装配图。环氧筒是聚乙烯 华中科技大学博士学位论文 毛细管的主支持结构，内置阴极固定器、阳极固定器、两个聚乙烯毛细管和处 予中间的触发电极，起着对齐、绝缘和防止聚乙烯管受高压变形兹作用。髓极 和阳极分别与阴极固定器和阳极固定器螺纹连接，阳极还是等离子射流的锥形 喷口。整个装置被两块环氧板夹具固定，可根据需要对触发间隙和主放电间隙 的尺寸进行调整。 图2 3 中间电极密封原理。1 一聚乙烯；2 一毛细管 3 一金属中间电极；4 一毛细管内气压产生的压力 触发电极和阳极采用如图2 3 所示的白紧的密封结构。放电时毛细管内的压 强会将聚乙烯的突入的端部压向触发电极和阳极的管壁，从而增加其气密程度。 为了减小聚乙烯管的外径，中间电极适当拉长，包裹住聚乙烯管的大部分，使 毛细管的外径由4 5 m m 减d , n 为1 5 m m ，支持结构实际上由环氧材料改变为金 属材料。中间电极与等离子体接触部分的厚度很小，约2 3 r a m ，装置的总直径 约1 0 0 m m ，总长度约2 0 0 r a m 。 2 2 触发电路 触发电路包括高压脉冲发生和续流电容储能两个部分。其工作原理如图2 4 所示，t r i 是隔离变压器，在触发电路开始工作之前，整流二极管d l 和d 2 分 华中科技大学博士学位论文 别对电容器c 1 和c 2 进行充电。c 1 将为脉冲变压器t r 2 的原边提供脉冲电流， 而c 2 为毛细管的触发间隙提供续流放电电容。如果要改变c 2 的充电电压，则 需要在d 2 前添加一个可调压的升压变压器。d 4 阻断c 2 沿t r 2 的副边放电的 回路，d 5 阻断t r 2 的高压脉冲沿c 2 放电的回路这两个二极管保证t r 2 的 高压脉冲和c 2 的续流电流均作用在毛细管的触发间隙上。 图2 4 触发电路原理图 2 04 06 08 01 0 01 2 0 r - 沪 t j 20柏8 08 01 0 01 2 0 t i m e ( s ) 图2 5 触发电极电压和间隙放电电流时间波形 触发电路给主间隙提供初始的导通等离子体射流，它的工作过程分为两个阶 段，开关装黉s c r 被触发，电容器c 1 通过脉冲变压器t r 2 原边放电，在副边 产生高压脉冲，击穿触发间隙：随之电容器c 2 开始对触发间隙放电，完成毛细 6 2 8 4 o 4 o 5 o 5 (若舢西eio， 一v】i一芑虫30 华中科技大学博士学位论文 管内的触发放电过程。图2 5 所示为c 2 电容值为3 时触发间隙两端电压巧( f ) 和通过的电流( ，) 波形。触发间隙两端的初始电压是c 2 的充电电压3 k v ，s c r 开通后，( f ) 约在3 0 , u s 的时间内增大到1 5 k v ，击穿触发间隙。间隙击穿时巧( f ) 急剧下降，对应的电流( ，) 波形呈现峰值达1 2 k a 的尖冲，随后的c 2 续流脉冲 宽度约1 0 脚，其峰值为5 k a 。 2 3 双脉冲主放电电源电路 在电热化学发射中，作为等离子体射流发生器的电源，通常是由多个电容储 能模块构成的脉冲成形网络，每个模块都需要相应的调波电感和定时关断装置， 通过复杂的控制以形成需要的放电波形，如图2 6 所示。这种双脉冲放电电流波 形是电热化学炮获得优化性能的需要。 图2 6 电热化学发射用毛细管双脉冲放电电流( 摘自 3 , 1 1 ) 为了获得类似的双脉冲放电波形，本文采用如图2 7 的电路进行调波，z u e k e r 等曾用这种电路进行电磁发射的电源调波。产生具有较长平顶的放电波形【3 5 】。 这个电路只有2 个电感互相耦合，结构简单，不需要大电流开关，是自动双脉 冲成形，所以不需要复杂的控制开关和调波模块。其中，t r 、d i e 、c 和s c r 1 9 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 管内 的 触发放电 过 程。 图2 .5 所示为c 2 电 容 值为3 ,u f 时 触发间隙两 端电 压岭 ( t