脉冲金属离子等离子体推进器的等离子体生成和传播特性

综述了不同阳极结构脉冲金属离子等离子体推进器的放电特性、等离子体生成及传播特性。首先,讨论了一种带有绝缘套筒的裸阳极推进器结构。对比分析了无、有绝缘套筒的裸阳极推进器的等离子体生成及传播特性的区别。结果表明,绝缘套筒阻碍了阴极近旁带电粒子的径向运动,提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体的喷射性能。此外,发现采用裸阳极推进器结构放电过程中会有大量带电粒子进入阳极。其次,讨论了一种绝缘阳极推进器结构。结果表明,采用绝缘阳极结构进一步提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体密度。但是,与裸阳极推进器结构相比,等离子体的生成量减少。再次,讨论了一种微孔绝缘阳极推进器结构。结果表明,与裸阳极推进器结构相比,采用微孔绝缘阳极推进器结构生成的等离子体的密度峰值和传播速度峰值分别提高了12.6倍、3.9倍。最后,分别讨论了一种螺旋阳极推进器结构和一种多阳极推进器结构。结果表明,这两种推进器结构分别利用放电过程中形成的自磁场及电场有效提高了等离子体羽流的定向喷射性能。本研究可以为金属等离子体喷射性能的提高以及脉冲金属离子等离子体推进器的设计提供支持。

美企成功示范全球首台聚变强化脉冲等离子体空间电推进器

【美国火箭之星公司网站2024年3月20日报道】美国火箭之星公司(RocketStar)近日宣布成功示范FireStar聚变强化电推进器,证明了这种推进器的技术可行性。这是全球首台采用聚变强化脉冲等离子体技术的空间电推进装置。

低功率水工质脉冲等离子体推进器的工作特性

为了解决Teflon脉冲等离子体推进器存在的性能低、有污染等问题,设计了以水为工质的脉冲等离子体推进器系统,并研究了它的主要工作指标的能量阈值。分析了水工质脉冲等离子体推进器系统的放电类型形成条件及原因,通过放电电压和电流测试实验,对工作能量阈值进行了实验研究,得到了稳定运行能量对应的储能电容值。实验结果表明:在足够高的电场强度和足够大的触发电流下,才能产生保证稳定工作触发概率的初始等离子体;而水工质脉冲等离子体推进器的正常工作能量范围由储能决定,与储能电容的容值不相关。研究结果为发展无污染、性能高、具有广适性的低功率水工质脉冲等离子体推进器打下了一定的基础。

水工质脉冲等离子体推进器的能量平衡和效率

通过一种同轴水工质脉冲等离子体推进器的LCR放电回路的理论分析和实验来探讨其在运行过程中的能量平衡和能量转换效率。理论分析认为储能电容中的储存能量通过放电转化为加速动能及被传输线和电容的等效电阻消耗掉,并且根据等效电阻的分配情况定义了水工质脉冲等离子体推进器的加速动能和电磁力转换效率。实验研究表明:该水工质脉冲等离子体推进器的存储能量(E0=4.86J)转换成加速动能的能量转换效率是28%,其中11%用于电磁加速及17%用于电热加速,其余72%的存储能量消耗在储能电容和传输线内阻所造成的能量损失上。

脉冲电晕放电等离子体-活性炭协同去除废水中重金属离子和有机物

为了同时去除废水中的重金属离子和有机污染物,以镉离子(Cd2+)和酸性橙7(AO7)为目标污染物,研究比较了活性炭(AC)、脉冲电晕放电等离子体(PCDP)以及PCDP结合AC(PCDP-AC)3种体系对废水中Cd2+和AO7的去除效果。考察了脉冲放电电压、载气种类、溶液初始pH值和电导率对Cd2+和AO7去除的影响。结果表明:PCDP-AC体系可以同时有效地去除废水中的Cd2+和AO7,且去除效果明显好于AC和PCDP单独处理;增加脉冲放电电压,可以提高Cd2+和AO7去除率;氧气作为载气的去除效果高于空气或氮气作为载气的去除效果;酸性条件下AO7的去除率好于碱性条件,而Cd2+的去除率在碱性条件下好于酸性条件;增加溶液初始电导率,会导致Cd2+和AO7去除率下降。

碱土金属的强短脉冲供电空心阴极灯激发常规炬管电感耦合等离子体离子荧光光谱初步研究

初步研究了碱土金属Ca，Sr，Ba的强短脉冲供电空心阴极灯（HCMP HCL）激发“常规短炬管”电感耦合等离子体离子荧光光谱（ICP IFS）。使用HCMP HCL激发光源和较大的ICP功率，在“常规短炬管”ICP中只观测到离子荧光信号，而没有观测到原子荧光信号；在较低观察高度和较小ICP功率时，离子荧光信号较强。才常见的“加长炬管”ICP原子荧光相比，“常规短矩管”ICP中Ba的离子荧光光谱的检出限改善了50倍以L，而Ca，Sr则基本一致。实验中对Ca，Sr，Ba五条离子荧光谱线测量的相对标准偏差为0．6％～1．4N（n=10，0．1～0．2μg·mL^-1）。实验中考察了K，Al，P等共存元素对Ca，Sr，Ba的离子荧光信号的影响，初步探讨了共存基体元素对Ca，Sr，Ba离子荧光信号影响的原因。

脉冲阴极弧金属等离子体源的调试及其应用

对脉冲阴极弧金属等离子体源的工作参数进行了测量,研究了离子流与磁导管偏压以及磁场电流与离子流之间的关系,确定了其最佳工作参数。并应用该脉冲阴极弧金属等离子体源和等离子体浸没离子注入与沉积技术制备了TiC薄膜。对改性层的显微硬度、摩擦磨损性能和膜基结合力进行了测试分析。结果表明:合成TiC薄膜后,试样的显微硬度、摩擦磨损性能得到了明显的改善,并且膜层与基体之间的临界载荷为36.03 N。

空气中并联金属丝阵列电爆炸等离子体自辐射特性

在空气中开展了平面丝阵的电爆炸实验,对比研究了非难熔金属铜丝阵列和难熔金属钽丝阵列在电爆炸过程中的能量沉积特性,重点分析了其等离子体通道演化过程及光辐射特性。实验结果表明,随着铜丝阵列或钽丝阵列根数(质量)的增加,丝阵列在电压峰值前沉积的能量会有所增加且总体相变时间会变长。对于铜丝阵列,当其能量沉积速率较快时,电爆炸过程中的光辐射强度会随金属丝根数的增加而有所增加,但光辐射持续时间相对于单丝较短。铜丝和铜丝阵列电爆炸等离子体通道膨胀过程较快,放电中心通道内的加热和电离过程不够集中。当铜丝根数增加时,放电过程中各丝之间的相变时刻不够同步,放电等离子体通道发展极不均匀。对于钽丝阵列,在储能一定的条件下,随着钽丝阵列根数(质量)的增加,其光辐射强度会有所下降。钽丝和钽丝阵列在相变过程中的气液混合通道能够被加热到较高的温度,放电通道内热电离过程显著,等离子体通道易于发展,但放电通道膨胀速率要明显慢于铜丝。丝阵列放电过程中各丝之间相变时刻的不同步会影响电流的分布,进而导致各丝之间的能量沉积过程不同,使得丝阵列中各丝等离子体通道的建立过程不同步。

纯水和液氮中金属丝电爆炸与等离子体气泡特性实验研究

金属丝电爆炸能有效地将电能转化为机械能(冲击波和等离子体气泡),在化石能源开发等领域取得了成功应用。为明确不同液体中金属丝电爆炸等离子体气泡行为,搭建可变环境金属丝电爆炸实验平台与诊断系统,通过改变电容充电电压,获得不同储能下kA量级和μs时间尺度的脉冲电流,驱动直径为50μm的铜丝电爆炸。通过测量负载电压、回路电流以及拍摄高速阴影图像,对放电瞬态过程进行诊断和分析。结果表明:不同系统储能或负载规格下,液体中金属丝电爆炸存在非周期型放电、周期型放电以及电流暂停放电3种模式;与纯水(蒸馏水)介质相比,液氮中电爆炸具有更高的电压峰值(平均高约6%)、功率峰值(平均高约14%)。纯水中等离子体气泡脉动过程受系统储能和负载规格影响,系统储能从2 J增大至10 J时,气泡最大径向半径从约9.4 mm增大至约18.6 mm,第一脉动周期从约1.6 ms增长至约2.6 ms,气泡能量从约0.4 J增大至约2.3 J,气泡能量效率相对稳定,为18%~25%;相同储能下增加金属丝长度,最大径向半径逐渐缩短。储能2.5 J下,液氮气泡第一脉动周期比纯水中长约0.6 ms,最大径向半径约为纯水中气泡的1.17倍,在气泡收缩阶段,液氮气泡收缩速度慢,最小收缩半径约为纯水中气泡的1.53倍。

低温等离子体催化处理甲苯气体

将低温等离子体与贵金属催化剂结合,用于甲苯气体的处理;考察了其处理效果及影响因素。所用低温等离子体由针板式脉冲流光放电方法产生。实验考察了脉冲频率、脉冲峰值电压、甲苯进口质量浓度、气体流量和催化剂等因素对净化效率的影响。结果表明:甲苯去除率随脉冲频率和脉冲峰值电压的变化并非单方向增大或减小,而是分别存在最适宜值f=33kHz、U=15kV;甲苯进口质量浓度从60mg/m3增加到180mg/m3时,甲苯去除率逐渐升高;气体流量的增大会导致甲苯去除率的降低;贵金属催化剂对甲苯降解有明显的促进作用,无催化剂时甲苯去除率的最大值为57.3%,有催化剂时则提高到88.5%。

锥–螺旋电极在真空等离子体生成中的作用

为了研究真空脉冲放电中放电电流产生的磁场对生成的等离子体的束缚效果,设计了一种锥–螺旋状的真空放电电极结构,借助Ansoft Maxwell 3D电磁场仿真软件,对比分析了锥–筒状电极与锥–螺旋状电极的磁场分布,重点讨论了采用锥–螺旋状电极放电时电极内部自磁场、阴阳电极间的相对位置关系、螺旋状阳极的内径等因素对真空放电等离子体生成特性的影响,并通过朗缪尔探针法对相应条件下的真空放电等离子体参数进行了测量分析。实验与仿真结果表明:利用放电时电流流过螺旋状电极所产生的轴向磁场,可以有效约束部分向四周扩散的等离子体,增大了到达探针位置的等离子体密度;合理优化螺旋状放电阳极,可以增大电极内部的磁场强度,在电极轴向获得更高密度的金属等离子体。

脉冲等离子体球磨放电的数值模拟研究

为了研究等离子体球磨罐内部的放电机理,并探索在球磨罐中所添加的磨球材质对放电的影响,本文根据流体理论对球磨罐设备进行了二维建模,模拟了在三种情况下(无填充磨球、氧化铝填充磨球和不锈钢填充磨球)一个脉冲电压周期内球磨罐放电腔体中的放电过程,通过数值分析来对比仿真结果中的各种放电参数,并结合实际球磨罐运行时的放电图片和仿真结果图片体现了建模仿真的可靠性。结果表明,添加金属材质磨球时的放电电流幅值(5.0 A)较无磨球(3.5 A)和氧化铝磨球(3.7 A)情况下都要高,对于放电过程中的最大电子密度,添加金属磨球情况下(2.52 e12/cm3)较无磨球(5.48 e11/cm3)和氧化铝磨球(8.25 e11/cm3)情况下都要高,同时对于像平均功率密度、电子温度和亚稳态粒子密度等参数,都是以金属磨球情况下的数据最大,氧化铝磨球情况下次之,无磨球情况下最小,可见填充磨球可有提高球磨罐内的放电强度,填充金属材质磨球时的这种提高更加显著。

大气颗粒物中重金属的双脉冲激光诱导击穿光谱研究

为了对沈阳市某工业区附近大气中重金属等离子体光谱特性进行研究,采用双脉冲激光诱导击穿光谱技术(Double pulse laser induced breakdown spectroscopy, DP-LIBS)对样品中主要重金属等离子体光谱进行测量分析。通过比较单脉冲(SP)和双脉冲(DP)激发的样品等离子体光谱,发现采用DP-LIBS技术可以很好地增强等离子体光谱的强度。研究DP-LIBS光谱强度随两个脉冲激光的间隔时间变化,在脉冲间隔为15μs时样品中重金属等离子体光谱得到了最大的增强。同时DP-LIBS技术也会提高样品等离子体光谱的稳定性,谱线的相对标准偏差由6%降低为3%左右。最后对样品等离子体的电子温度及电子密度随双脉冲间隔时间的变化情况进行了研究。

基于光谱诊断的脉冲GMAW焊金属蒸汽动态扩散行为研究

理解脉冲GMAW焊电弧物理的动态特性对解释这一焊接方法的内在机理及获取优化控制策略有重要意义,通过在高速摄影前加窄带滤波片的方法研究了脉冲GMAW焊接过程中不同粒子的扩散行为,同时采用光谱仪研究了不同状态下金属与蒸汽保护气氛谱线的强度分布信息,采用气体状态方程、等离子体准中性方程、和Saha方程计算了脉冲GMAW焊接峰值和基值两种不同状态下的金属蒸汽浓度分布。研究结果显示,在峰值时刻,金属蒸汽被约束在电弧中心1mm左右的范围内,当电流从峰值跳转到基值时刻,金属蒸汽从中心扩散到电弧外围区域,峰值时刻中心金属浓度约为75%,而基值仅为35%左右。

脉冲激光烧蚀金属的动力学研究进展

简要评述了激光烧蚀金属过程中的等离子体羽、烧蚀材料蒸汽、温度场方面的实验和理论模型研究进展。报道了激光能量密度(或者功率密度)、脉宽等参数对等离子体、烧蚀蒸汽动力学过程影响的实验和理论结果。简要评述了激光烧蚀金属过程中的等离子体羽、烧蚀材料蒸汽、温度场方面的实验和理论模型研究进展。报道了激光能量密度(或者功率密度)、脉宽等参数对等离子体、烧蚀蒸汽动力学过程影响的实验和理论结果。

脉冲高能量密度等离子体薄膜制备与材料表面改性

脉冲高能量密度等离子体是一项全新的等离子体材料表面处理和薄膜制备技术 .文章主要介绍了作者近几年来在这方面的研究成果 .从理论和试验上研究了脉冲高能量密度等离子体的产生机制及其物理性质 .研究了脉冲等离子体与材料相互作用的基本物理现象和物理机制 .诊断测量表明 ,脉冲等离子体具有电子温度高 (10—10 0eV)、等离子体密度高 (10 1 4— 10 1 6 cm- 3)、定向速度高 (～ 10 7cm s)、功率大 (10 4 W cm2 )等特点 .在制备薄膜时具有沉积速率高 ,薄膜与基底粘结力强 ,并兼有激光表面处理、电子束处理、冲击波轰击、离子注入、溅射、化学气相沉积等综合性特点 ,可以在室温下合成亚稳态相和其他化合物材料 .在此基础上 ,系统地进行了脉冲等离子体薄膜制备和材料表面改性及其机理的研究 .在室温下的不同材料衬底上成功地沉积了性能良好的较大颗粒立方氮化硼、碳氮化钛、氮化钛、类金刚石、氮化铝等薄膜材料 .沉积薄膜和基底之间存在一个很宽的过渡层 ,因此导致薄膜与基底有很强的粘结力 .

强脉冲磁场致金属铝电离化研究进展

研究了脉冲兆高斯磁场致金属铝表面热电离的物理现象。所采用厚铝棒的初始半径范围为0．25～1．00mm，大于磁场的趋肤深度。加载的脉冲电流在100ns时间内从0上升到1．0MA。铝表面磁感应强度Bs的上升速率为3×10^9～8×10^9 T／S，不同铝棒表面的磁感应强度峰值的范围为150～400T。对于这种范围的参数，等离子体形成的阈值是Bthreshold=220T。当半径R0=0．5mm的铝棒达到峰值电流时，Bs=300T，铝棒表面的电子能量为20eV；相应地，半径为R0=1．0mm的铝棒表面电子能量为0．7eV，Bs（t）〈220T，意味着没有等离子体产生。

脉冲辉光PEOMCVD金属表面硬涂层研究

研究了用直流脉冲等离子体进行PEOMCVD(等离子体增强金属有机化合物化学气相沉积)淀积含钛多组元化合物硬质膜的新工艺。对试样进行了显微硬度、涂层厚度、表面结构及膜的元素成份分析。

金属丝电爆炸研究进展-(Ⅰ):真空环境

真空中金属丝电爆炸在Z箍缩等离子体、X射线源等有重要应用,特别是纳秒脉冲下金属单丝的电爆炸行为是丝阵Z箍缩的最初始阶段,对丝阵Z箍缩内爆辐射特性有重要影响,因而受到特别关注。目前,利用高时空分辨的等离子体诊断系统和数值模拟手段,真空环境中金属丝电爆炸的研究已在实验诊断、调控方法、理论模型等方面取得了许多重要研究成果。在介绍发展历史的基础上,主要针对真空环境中纳秒脉冲下金属单丝电爆炸的相关研究,描述了金属丝电爆炸的基本特性,总结了电参数和丝参数对电爆炸特性的影响规律,分析了提高金属丝中沉积能量以实现金属丝汽化的调控方法,并综述了数值模拟中电爆炸丝状态方程、输运参数和磁流体模型等的主要进展,最后指出了研究面临的挑战和未来发展的方向,对今后继续深入开展该领域的研究工作具有一定的借鉴意义。

空气中不同金属丝电爆炸的光辐射特性

金属丝电爆炸过程伴随明显光辐射现象,该现象蕴含大量信息,为此研究了空气中铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)、铜(Cu)、钼(Mo)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)8种材质的金属丝以及石墨芯C在亚微秒与微秒尺度脉冲电流作用下电爆炸的光辐射特性。搭建了金属丝电爆炸实验平台与诊断系统。在系统储能500 J的情况下,将上升沿约为45 A/ns与5 A/ns的脉冲电流分别施加在长1 cm、直径200μm的金属丝/石墨芯负载上,并测量负载电压、回路电流、光强与时间积分光谱。实验结果表明,光电管可响应的光辐射起始于负载阻性电压下降时刻,并随着放电过程结束逐渐达到最大值,发光过程持续时间>300μs。从幅值来看,Ti丝电爆炸具有最强的光辐射,在5 A/ns脉冲电流作用时幅值为Cu丝的3倍。非难熔金属Al、Cu、Ag具有相似的光辐射特性,包括相似的光强–时间曲线以及具有明显线状谱的时间积分光谱;难熔金属Mo、Ta、W具有相似的光强–时间曲线且积分光谱以连续谱为主;石墨芯与难熔金属具有相似的光强–时间曲线,积分光谱却存在明显的线状谱。此外,金属丝电爆炸光辐射能量在250~380nm的波段具有较强的分量,比例最高为Cu丝,可达42.9%。不同材质金属丝电爆炸的光辐射具有很大差异,可以推测其等离子体通道温度、密度、电离度等参数存在较大差异。