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外电极长度对同轴枪放电等离子体特性的影响

宋健 李嘉雯 白晓东 张津硕 闫慧杰 肖青梅 王德真

宋健, 李嘉雯, 白晓东, 张津硕, 闫慧杰, 肖青梅, 王德真. 外电极长度对同轴枪放电等离子体特性的影响[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 105201. doi: 10.7498/aps.70.20201724
引用本文: 宋健, 李嘉雯, 白晓东, 张津硕, 闫慧杰, 肖青梅, 王德真. 外电极长度对同轴枪放电等离子体特性的影响[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 105201. doi: 10.7498/aps.70.20201724
Song Jian, Li Jia-Wen, Bai Xiao-Dong, Zhang Jin-Shuo, Yan Hui-Jie, Xiao Qing-Mei, Wang De-Zhen. Effect of length of outer electrode on plasma characteristics in coaxial gun[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 105201. doi: 10.7498/aps.70.20201724
Citation: Song Jian, Li Jia-Wen, Bai Xiao-Dong, Zhang Jin-Shuo, Yan Hui-Jie, Xiao Qing-Mei, Wang De-Zhen. Effect of length of outer electrode on plasma characteristics in coaxial gun[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 105201. doi: 10.7498/aps.70.20201724

外电极长度对同轴枪放电等离子体特性的影响

doi: 10.7498/aps.70.20201724
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: songjian@dlut.edu.cn

    qmxiao@hit.edu.cn

  • 中图分类号: 52.25.Fi, 52.38.Hb, 52.59.Dk, 52.80.Vp

Effect of length of outer electrode on plasma characteristics in coaxial gun

  • 摘要: 同轴枪放电装置能够产生高速度(~100 km/s)、高电子密度(~1016 cm–3)以及高能量密度(~1 MJ/m2)的稠密等离子体, 因而在聚变能、天体物理及航空航天等领域得到了广泛关注. 通过光电信号的测量以及对输运过程中等离子体时空演化过程的观察, 本文主要对比分析了不同长度外电极下的同轴枪放电等离子体特性. 外电极长度的增加, 带来了喷射等离子体电子密度、发光强度的降低以及轴向速度、准直性与输运距离的显著提高, 而由箍缩效应所形成的等离子体柱在放电过程中对中心电极的延长作用则是引起长短外电极同轴枪中等离子体参数差异的主要原因. 延长的中心电极一方面与长外电极在轴向长度上得以匹配, 使等离子体在枪内能够获得更长的加速时间, 进而提高其喷射速度; 另一方面则会造成带电粒子的大量损耗以及更高的碰撞复合损失, 导致等离子体电子密度与发光强度的降低. 等离子体的轴向动能直接影响着其喷出后的传播距离, 而喷口处等离子体的扩散角则主要受电子密度与径向洛伦兹力的约束, 二者共同决定了等离子体的准直性及输运衰减特性.

     

  • 图  实验装置图

    Figure  1.  Schematic diagram of experimental equipment.

    图  不同长度外电极同轴枪在充电电压为5 kV, 气压为10 Pa放电条件下的电压、电流以及光电流波形 (a) 短外电极; (b) 长外电极

    Figure  2.  Typical electrical and optical signals of discharge in a coaxial gun with (a) short and (b) long external electrode. V = 5 kV and P = 10 Pa.

    图  气压10 Pa时, 同轴枪放电等离子体速度随充电电压的变化

    Figure  3.  The variation of plasma velocity with the charging voltage of the coaxial gun at 10 Pa.

    图  高速相机拍摄的同轴枪放电等离子体图像, 充电电压5 kV, 气压10 Pa, 曝光时间为5 μs (a) 短外电极; (b) 长外电极

    Figure  4.  High-speed camera photographs of discharge in a coaxial gun with (a) short and (b) long outer electrode. V = 5 kV, P = 10 Pa, the exposure time is 5 μs.

    图  短外电极同轴枪放电中的等离子体片发展过程

    Figure  5.  Development of plasma sheet during discharge in a coaxial gun with short outer electrode.

    图  长外电极同轴枪放电中的等离子体片发展过程

    Figure  6.  Development of plasma sheet during discharge in a coaxial gun with long outer electrode.

    图  同轴枪在气压为10 Pa的放电条件下, 电子密度随充电电压的变化

    Figure  7.  The variation of electron density with the charging voltage of the coaxial gun at 10 Pa.

    图  数码相机拍摄的不同外电极长度条件下的放电照片 (a) 短外电极; (b) 长外电极. 气压为10 Pa, 充电电压为7 kV, 曝光时间为1 s

    Figure  8.  Digital camera photographs of discharge in a coaxial gun with (a) short and (b) long outer electrode. P = 10 Pa, V = 7 kV, the exposure time is 1 s.

    图  同轴枪在气压为10 Pa的放电条件下, 扩散角随充电电压的变化

    Figure  9.  The variation of diffusion angles with the charging voltage of the coaxial gun at 10 Pa.

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-16
  • 修回日期:  2021-01-22
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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