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    毛細管放電等離子體【科研儀器非標】

    2021-06-04 14:49:22

       毛細管放電等離子體以其高密度(>1025/m3)、高出口速率(>104m/s),高熱流通量(可達GW/m2級,時長百微秒左右)、較高溫度(1~5eV)等特點,廣泛應用于電熱化學炮、材料表面處理、納米材料制備、激光波導、等離子體加速器以及等離子體推進器等領域。科研儀器非標毛細管放電等離子體可通過大容量高功率脈沖電源向等離子體發生器中的與兩電極相連的金屬細絲放電或電極間的自由擊穿,以形成初始電弧通過燒蝕毛細管中的器壁產氣材料(如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、尼龍等)、石墨或氚化鋰而產生。因此毛細管的放電過程是研究毛細管放電等離子體特性及其應用的關鍵所在。

      毛細管的放電過程屬于燒蝕控制型放電,即放電過程通過等離子體對毛細管器壁材料的不斷燒蝕來維持。燒蝕作用對外圍等離子體進行冷卻,以限制毛細管中等離子體的形態;而燒蝕產物進入等離子體以補充自噴口處隨射流流失的質量。在通常的電熱化學炮中,毛細管通常用高分子材料制成,其長度通常在厘米量級,而半徑通常為幾毫米。在應用中毛細管的一端封閉,另一端敞開以噴射等離子體射流。典型的放電脈寬在百微秒到毫秒數量級,而放電電流則在幾千安至幾十仟安。

      由上可見,燒蝕現象是毛細管放電等離子體發生器中最為重要的物理現象,是研究毛細管放電等離子體的基礎。同樣,等離子體對材料的燒蝕現象也是等離子體研究領域的一個重要的研究方向,燒蝕現象廣泛存在于受控熱核聚變、等離子體推進器、激光加工以及開關設備等研究領域中。國際學術界很早便開始了對等離子體燒蝕問題的研究,關于等離子體對材料的燒蝕模型的研究由來已久,早在20世紀初,朗繆爾基于等離子體動理論提出了自己的燒蝕模型,該模型假設燒蝕產物粒子速度遵從麥克斯韋分布,可自由擴散至環境中。該模型廣泛應用于激光與金屬材料相互作用和脈沖等離子體推進器的研究之中,然而該模型忽略了非真空環境下背景壓強的影響,在氣壓放電場合,由于存在大量的燒蝕產物粒子在與背景粒子碰撞后回流到燒蝕材料表面,朗繆爾燒蝕模型會顯著高估燒蝕產物質量。因此,Anisimov在進一步研究中,提出了一種考慮了背景壓強影響下克努森層的處理方法,該方法假設燒蝕產物為單原子蒸汽。隨后Knight與Cercignani分別獨立地對該處理方法進行了擴展,科研儀器非標進一步考慮了多原子分子效應所引起的內部自由度的影響。Keida則將等離子體與燒蝕材料之間細化為克努森層和非平衡流體層,并采用Anisimov處理克努森層的方法并與非平衡層中的守恒方程式相耦合,提出了動力學燒蝕模型,動力學燒蝕模型是等離子體溫度、器壁溫度和等離子體數密度的函數,該模型是基于但粒子蒸汽假設,會低估燒蝕率達25%。隨后Zaghloul在Keidar提出的動力學燒蝕模型的基礎上進一步考慮了多粒子效應,考慮了內部自由度的影響,并考慮了背景溫度對等離子體參數的影響,對動力學燒蝕模型進行了擴展,但由于沒有考慮背景壓強的影響,燒蝕率隨壓強變化較大。

      此外,一種基于物理經驗的燒蝕模型也廣泛應用于毛細管放電模型中,該模型假設燒蝕現象主要由等離子體的輻射現象產生,認為輻射能量的一部分作用于燒蝕材料,從而產生燒蝕產物。而輻射能與燒蝕產物的數量關系則通過燒蝕焓聯系起來。實際應用中,輻射能的比例與燒蝕焓多通過對試驗結果進行擬合來選取。此類燒蝕模型由于計算簡單,并通過試驗結果擬合,廣泛應用于開關設備中。

    科研儀器非標

      在明確了毛細管放電等離子體發生器內部的燒蝕模型后,人們開始著手建立毛細管放電模型。早期的工作通常將毛細管內部區域劃分為電弧等離子體區域與燒蝕蒸汽區域,再在兩個區域中分別求解質量、動量與能量守恒方程,并通過在交界面處考慮質量、動量與能量交換來將兩個區域耦合起來。而近年來的一些工作通常將毛細管內部作為一個整體區域,并考慮等離子體與毛細管內壁之間的質量、動量與能量交換過程。Pekker同時計算并驗證了在毛細管放電等離子體模型中應用局部熱力學平衡、層流模型、忽略磁壓等假設的可能性。Winfrey則進一步考慮了理想等離子體和非理想等離子體的影響。國內學者大多基于后一種處理方法,建立了零維或一維的數學模型,并取得了與實驗較為一致的結果。

      由于動力學燒蝕模型與MHD方程相互耦合,求解困難,大多數毛細管放電模型利用經驗燒蝕模型來處理等離子體對毛細管的燒蝕問題,因而不能很好地模擬瞬態放電情況。同時上述數學明星多為一維,認為等離子體的參數在徑向上均勻分布,然而根據Niemeyer的試驗結果,毛細管內等離子體的徑向分布并不均勻,而這種不均勻性會進一步影響等離子體射流發展形態。此外,在一維模型中假設在燒蝕現象發生時,來自毛細管壁的質量、動量與能量流會瞬間進入等離子體并均勻分布在徑向上,因此無法描述徑向方向上的參數輸運。

      電熱化學炮是毛細管放電等離子體的一個重要應用,其被視為新概念身管武器家族中可以最早應用于實戰的武器,有效地解決了傳統火炮點火延遲與工作穩定性的問題。同時,科研儀器非標隨著低敏感高能量密度發射藥的發展,傳統點火方式往往不能應對其低易損性,等離子體點火技術恰好為該型發射藥提供了有利的點火思路。然而,雖然電熱化學炮的技術優勢已為人們所熟知,但是人們對其中一些管件機理的研究尚不透徹,認識不足,阻礙了電熱化學炮的工程化與武器化的進程。而其中最為關鍵的兩大技術問題,則是等離子體發生器的放電特性與等離子體的形為控制,以及等離子體與發射藥,特別是新型低敏感高能量密度發射藥的相互作用機理。因此,在對毛細管放電等離子體特性研究的同時,需要關注等離子體與發射藥的相互作用機理。

      然而針對等離子體對發射藥的增強點火機理,研究存在分歧。美國的研究表明輻射起著十分顯著的作用,更指出其份額占到了傳遞總能量的30%以上。這與主要承擔英國電熱化學炮研究工作的BAE系統公司與QinetiQ公司的研究結果是相互矛盾的。QinetiQ公司的研究人員指出,等離子體對發射藥的增強點火作用主要取決于熔絲爆炸后產生的高溫金屬蒸汽在藥床表面產生的能量沉積作用;BAE系統公司的最新研究發現,兩種僅透明度存在差異的發射藥的點火效果幾乎完全一致。由此說明,輻射在等離子體對發射藥的增強點火過程中所起的作用幾乎可以忽略不計。

      而在等離子體對發射藥的點火化學動力模型方面的研究明顯不足,激光與發射藥的相互作用的研究相對深入,國內外不同學者針對硝銨發射藥XM39,單質RDX、HMX和GAP以及RDX-TAGZT偽發射藥等發射藥,將傳熱學模型與化學動力理論相結合,建立了復雜化學動力學燃燒模型。然而科研儀器非標與激光點火相比等離子點火較為復雜,且不恒定地輸入熱流通量和大量的物質交換過程制約著等離子體與發射藥相互作用的理論研究。


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