0 引言

真空放电能够生成高密度、高能量的金属等离子体^[1-2]。这种等离子体具有独特的性质,被广泛应用于离子注入技术、离子镀膜技术以及微小卫星推进器等领域中^[3-8]。真空放电中起主导作用的电子发射机制是场致电子发射^[9-10],这不同于气体放电。针对电极的分析研究表明,放电电极的材质、形状、外加放电条件、放电电极间的外加磁场等因素,都会对真空放电等离子体的生成及传播特性有一定影响^[11-12]。然而,对于利用放电电极自身产生的磁场,对等离子体生成及传播特性影响的相关研究提及较少。因此,为了进一步获得高密度、高能量的金属等离子体,本研究提出一种螺旋状放电阳极,重点研究螺旋电极放电时,电极内部自身所产生的磁场对等离子体生成特性的影响。实验与仿真结果表明：放电电流流过螺旋状电极产生的轴向磁场,可以有效约束等离子体向四周扩散,增大电极轴向的等离子体密度;合理优化螺旋状电极的内径和螺距参数,可以使电极轴向的等离子体密度得到提高。

1 实验系统

1.1 实验装置及等离子体诊断方法

真空放电实验平台主要包括真空装置、测量系统和放电电源,其原理结构图如图1所示。通过真空泵与油扩散泵的两级抽气系统,真空腔室内的压强可维持在10^-4 Pa,以下放电实验均是在该真空度下进行的。放电电极通过两个可旋转的聚四氟绝缘支架固定在主真空腔室正中。放电现象可通过分布在真空腔室两侧的石英观察窗进行观测。

测量系统主要包括电气参数测量系统和等离子体参数测量系统。电气参数测量系统主要包括测量放电电压的高压探头直接测量法以及测量放电电流的分流器测量法。

等离子体参数测量系统主要为朗缪尔探针测量法。实验过程中,为了保证金属探针不会对电极周围的空间电场分布造成影响从而影响放电生成的等离子体特性,将朗缪尔探针布置在放电阳极后100 mm处。在探针上施加一定的正电压检测随时间变化的电子电流波形,见图2。考虑到真空放电的不稳定性,改变探针电压值,在每一个电压下进行多次放电,读取电子电流的峰值并求其平均值作为最终测量结果。不断改变探针电压,绘制探针电压的伏安特性曲线,如图3所示。根据伏安特性曲线可得探针周围等离子体的电子数密度、电子温度和空间电位等参数^[13-14]。

1.2 单脉冲放电电源

本实验中所用的放电电路见图4。220 V交流电压经整流、倍压电路后,施加到0.1 μF充电电容的两端。通过施加触发信号,球隙开关导通,将充电电容两端的高压施加到5 kΩ电阻两端,进而在经过27 Ω电阻和160 μH电感后施加到放电电极两端。该单脉冲电源的输出电压为0~20 kV,放电电流幅值为100~300 A,放电持续时间为13~20 μs^[15]。

本文设计了一种螺旋状电极作为放电阳极,螺旋电极之间存在匝间绝缘,螺旋电极内径为10 mm,长34.5 mm,匝数为230匝,双层密绕,层间绝缘。通过计算得该螺旋状电极的电感为160 μH。

2 螺旋状电极的磁场分布对等离子体生成特性的影响

为了进一步讨论密绕螺旋状电极对等离子体生成特性的影响,本研究运用Ansoft Maxwell 3D仿真软件对螺旋状电极内部的磁场分布进行了仿真分析,并通过相应的实验讨论不同因素对等离子体生成特性的影响。

图1 真空放电等离子体实验系统 Fig.1 Experimental device of vacuum discharge system

图2 探针测得电子电流波形 Fig.2 E-current waveforms measured by probe

图3 探针法伏安特性曲线 Fig.3 I-U characteristic curve with probe method

图4 放电电路原理图 Fig.4 High-voltage discharge circuit

2.1 螺旋状电极的磁场作用

为了讨论电极内部的磁场分布,分别设计了锥

-筒电极和锥-螺旋电极两种电极结构。筒状电极与螺旋状电极的内径均为10 mm,长度均为34 mm。螺旋状放电电极的电感量为160 μH。两组放电电极的阴极均为相同尺寸参数的铅质电极。两组电极间的相对位置关系保持相同。当放电电流为250 A时,仿真得各自电极间轴向的磁感应强度B分布如图5所示。

在相同放电电流条件下,对图5所示两种电极分别进行实验研究,测得的等离子体电子数密度如表1所示。由上述仿真与实验结果可得,相同放电电流下,螺旋状电极内部轴线上的磁感应强度为1.14×10^-1 T,筒状电极内部轴线上的磁感应强度为1.44×10^-5 T,两种电极结构内部磁感应强度有较大的差异,锥-螺旋电极在轴向获得密度较高的等离子体。

本研究中,流过螺旋状电极的放电电流可以在螺旋状电极内部获得较大的轴向磁场,有效地约束了向四周扩散的等离子体^[16-18],增大了轴向的等离子体数密度。放电电流经过筒状电极时,在筒状电极的内部产生的磁感应强度很小,对向四周扩散的等离子体的约束作用较小,部分等离子体与筒壁碰撞损失,从而在轴向获得的等离子体数密度低。

2.2 螺旋电极内部磁场分布的理论分析

本文中提出的螺旋状电极可近似认为是螺线管,如图6所示。对于单层螺线管,其轴线上任意一点,z方向的磁感应强度B_z为^[19]

式中：n₁为螺线管单位长度上的匝数;I为线圈流过电流;L为螺线管长度;r为螺线管半径;z为螺线管中心o至轴线上某点的距离。对于多层螺线管其轴向磁场强度可视为多个单层螺线管在其轴线上磁场强度的叠加。

基于上述理论分析与本文中的电极结构布置可知,若想增大螺旋电极内部的磁感应强度、增加电极轴向获得的等离子体数密度^[20-21],除了增大通过电极的放电电流外,还可从轴线上阴极尖端的位置点z、螺线管半径r等方面考虑。

2.3 电极间的相对位置关系

锥-螺旋电极放电时,螺旋状电极间的磁场可以有效约束部分向四周扩散的等离子体。为了进一

图5 两种电极结构的磁场分布矢量图 Fig.5 Magnetic field vector of the two electrode structures

表1 两种电极结构下的等离子体参数 Table 1 Plasma parameters of two kinds of electrode structures

图6 单层螺线管结构图 Fig.6 Single solenoid structure

步获得更高密度的等离子体,充分利用螺旋状电极放电时电极内部的磁场,本研究对电极间的相对位置关系进行讨论分析。首先,对螺旋状电极的轴向磁场分布进行了仿真,从图7可知,在螺线管中部形成了较强的磁场。

实验中阴极进入螺旋状阳极的距离分别为5 mm、17 mm、30 mm。所测得电极间不同位置关系时的等离子体参数,如表2所示。由实验结果可知,阴极尖端在螺旋状电极中间位置时,更易获得高密度的等离子体,在螺旋状电极两端附近位置,获得的等离子体密度较小。结合图7及式(1)可知,对于有限长螺旋电极,当z=0时,B_z最大,即螺旋状电

图7 螺旋电极轴向磁感应强度分布图 Fig.7 Axial magnetic field distribution of spiral electrode

极内部轴线上的磁场分布特点为,中心部位磁感应强度最强,两端位置磁感应强度减弱。实验结果见表2,当阴极尖端在螺旋状电极中心位置时,放电电流在螺旋状电极中形成的磁场在该区域较强,该位置的磁场对向四周扩散的部分等离子体有较强的约束力,可以在电极轴向获得更高密度的等离子体。

2.4 螺旋状电极内径的影响

为进一步优化螺旋状电极结构,有效增大螺旋状电极内部的磁感应强度,获得更高密度的金属等离子体,在上述讨论的基础上,设计了内径d分别为10 mm和8 mm、电感值均为160 μH的2个螺旋状电极,重点讨论螺旋电极的内径对等离子体生成特性的影响。对不同内径的螺旋状电极的磁感应强度分布进行了研究,仿真结果如图8所示。相同放电电流条件下,减小电极内径时螺旋状电极内部产生的磁感应强度较大。

当两种电极的放电电源中充电电容的初始电压一致时,即给两电极施加相同电压时所得放电参数如表3所示。由实验结果可得,采用内径为8 mm的螺旋电极时,放电的电流较大,击穿电压较低,可以获得密度更高的等离子体。减小螺旋电极的内径,有效减小了阴阳极间的相对距离,增大了阴极尖端的电场强度,有效降低了击穿电压,获得较大的放电电流,更易获得密度较大的等离子体。同时,由式(1)和螺旋电极内部磁场仿真结果可知,在相同放电电流时,有效缩小螺旋状电极的内径,可以增加电极内部的磁感应强度。再加之此实验条件下,小内径螺旋状电极流过的放电电流增加,进一步增强了电极内部对向四周扩散的等离子体的约束作用,从而在电极轴向获得了密度较高的等离子体。

3 结论

文中提出了一种锥-螺旋电极结构,研究了螺

图8 不同内径电极的轴向磁场 Fig.8 Axial magnetic field of electrodes with different diameters

表2 不同电极位置时等离子体参数 Table 2 Plasma parameters when cathode is in different positions

表3 不同内径电极产生的等离子体参数 Table 3 Plasma parameters of electrodes with different diameters

旋状电极内部的磁场分布,重点讨论了在电极放电时,螺旋状电极内部的自磁场对等离子体生成特性的影响。通过电磁场仿真分析及一系列对比实验,分别讨论了锥-螺旋电极间的相对位置关系及螺旋电极内径等因素对电极内部的磁场分布及等离子体生成特性的影响。得出如下结论：

1）螺旋状电极较传统的筒状电极,内部磁场对等离子体的扩散有一定的约束作用,能够在电极轴向获得更高密度的金属等离子体。

2）电极间的相对位置关系对等离子体的生成及传播特性有一定影响,螺旋状电极的中间位置磁感应强度较大,对阴极尖端的向四周扩散的等离子体有较好的约束作用。

3）适当减小螺旋状电极的内径不仅可以增强阴极尖端的电场强度,同时可以有效增大螺旋状电极内部的磁感应强度,更易在螺旋状电极的轴向获得高密度的等离子体。

4）该种螺旋状电极应用于微小卫星推进器放电电极中,可有效减小等离子体羽流的扩散角,降低羽流污染,对微小卫星推进器电极结构的优化设计,有一定意义。

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