1 沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
2 大连民族大学机电工程学院, 辽宁 大连 116605
对未燃烧的可燃混合气体进行DBD放电, 放电后会产生大量的活性粒子, 这些活性粒子可以辅助气体燃烧, 达到提高燃料燃烧利用率等目的。 以DBD激励氩气、 甲烷、 空气产生的自由基(CH基和OH基)等强化燃烧的关键活性粒子为探索对象, 研究DBD放电激励甲烷对滑动弧火焰的影响。 为此, 采用自主设计的DBD-滑动弧双模式等离子体激励器, 利用同轴介质阻挡放电结构对氩气、 甲烷、 空气混合气进行放电激励, 将激励后的氩气、 甲烷、 空气混合气通入滑动弧端进行点火。 固定氩气流量不变, 调整空气流量为4.76 L·min-1, 并加入甲烷0.5 L·min-1, 保证进气通道内氩气与空气-甲烷的气体体积流量比达到Ar∶(CH4+Air)=1∶30, 其中空气、 甲烷这两种气体达到了化学燃烧当量比φ=1, 氩气、 甲烷、 甲烷混合气体能实现均匀而稳定的放电并燃烧。 DBD段放电电压在15~20 kV范围变化, 放电频率在6~10 kHz范围变化, 滑动弧段的电压和频率分别保持4 kV与10 kHz恒定, 通过改变DBD段放电电压和放电频率, 用高速光纤光谱仪检测滑动弧火焰中自由基种类及其光谱强度, 分析放电参数激励甲烷对火焰中自由基(CH基和OH基)的影响。 结果表明, DBD段放电电压及放电频率的增加可以促进火焰内部的偶联反应发生, 可有效提升甲烷滑动弧火焰内部的活性粒子含量, 其中OH基团、 CH基团在燃烧链式化学反应进程中发挥着较为重要的作用。 甲烷经过DBD激励后, 随放电电压和频率的增加, 火焰中OH基、 CH基等主要活性粒子都随之增加。 DBD放电后, 活性粒子的光谱强度增大, 特征谱线比单模式更加明显; 甲烷经过DBD激励后, 火焰组成发生了变化, 滑动弧段出口处甲烷燃烧反应更加充分, 火焰温度越高越容易产生OH基。 与单模式滑动弧相比, 双模式放电可有效促进火焰内部的链式化学反应进程, 促进燃料燃烧。
双模式放电 滑动弧放电 介质阻挡放电 火焰光谱 等离子体 Dual mode discharge Gliding arc discharge Dielectric barrier discharge Flame spectrum Plasma 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2007
1 电子科技大学 资源与环境学院，成都 611731
2 上海空间推进研究所上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112
为了在高超声速飞行器减阻中达到更好的减阻效果，设计了一种电弧射流等离子体激励器。采用有限元法求解非线性多物理方程，对此电弧射流等离子体激励器的工作特性进行了数值模拟，得到了激励器内部的电势、压力、温度和速度分布，综合分析了进气口气体速度、放电电流、激励器管道半径对电势、压力、温度和速度分布的影响。获得了全面的影响规律，通过仿真结果还得到：电弧射流等离子体激励器可产生最高温度为8638 K、最高速度为655 m/s的等离子体射流。当电流20 A，进气速度0.5 m/s，管道半径2.5 mm时，所需功率最小；当电流20 A，入口气体流速5 m/s，管道半径2.5 mm时，出口处平均温度最高；当电流20 A，进口气体速度10 m/s，管道半径2.5 mm时，出口处平均速度最大。并对仿真得到的放电电压进行了实验验证，在等离子体参数相似的情况下，实验结果与仿真结果吻合较好。
减阻激励器 等离子体 电弧放电 数值模拟 等离子体炬 drag reduction actuator plasma arc discharge numerical simulation plasma torch 强激光与粒子束
2022, 34(6): 065003
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044
2 大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
提出一种基于法布里-珀罗干涉的多模光纤-空气腔-多模光纤-聚乙烯醇(PVA)薄膜结构的湿度传感器,研究了结构中空气腔反射面的曲率对光传播和反射谱的影响,并提出了利用电弧放电增大反射面曲率半径的方法。实验结果表明,所提方法降低了光在纤芯内的干涉损耗,使更多的光参与干涉,并提高了干涉条纹的对比度和精细度。在优化后的多重腔端面涂敷一层厚度为14 μm的PVA薄膜,在29.1%~81.8%环境相对湿度范围内,传感器的平均灵敏度可达73.24 pm/%,且具有良好的时间稳定性。
光纤光学 光纤传感器 电弧放电 优化空气腔 湿度测量 法布里-珀罗干涉仪 光学学报
2022, 42(10): 1006002
1 中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川绵阳 621999
2 四川新网银行股份有限公司, 四川成都 610000
3 中山大学中法核工程与技术学院, 广东珠海 519082
真空弧离子源以其结构简单、空间紧凑、氘离子流强大等优点, 非常适合在小型脉冲中子发生器中使用。本文介绍了一款小型真空弧离子源, 它利用氘化钛阴极同时作为氘气源和电极, 避免了复杂的气路管道。该离子源外径约 20 mm, 长 25 mm。采用电荷耦合器件 (CCD)相机拍摄了该离子源放电光斑, 发现弧流越大, 光斑越大。采用偏压平板测量了该离子源的饱和离子流, 当弧流大于 100 A时, 饱和离子流可达 1A以上。采用磁分析测量了等离子体中氘离子比例, 结果表明氘离子比例随弧流增加而增加, 最大约为 27%。最后测量了该离子源在 120 kV高压下打氘靶的中子产额, 当弧流为 100 A, 脉宽为 5 μs时, 中子产额约 1×105 n。该源可应用在小型脉冲中子发生器中。
脉冲中子发生器 真空弧放电 离子源 pulsed neutron generator vacuum arc discharge ion source 太赫兹科学与电子信息学报
2021, 19(2): 334
1 北京理工大学物理学院, 北京 100081
2 郑州师范学院物理与电子工程学院, 河南 郑州 450044
在线化学分析需要实现开放环境下的样品取样和电离/激发。 相比于激光切削或者激光诱导击穿, 大气压微等离子体系统结构简单, 更利于小型化。 因而基于大气压微等离子体的在线化学分析技术引起行业的广泛关注。 为了确定合适的微等离子体源进行样品的在线元素检测, 需要进一步了解各放电模式及工作参数下微等离子体的自身特性以及取样效果。 该工作主要研究了电弧及辉光放电微等离子体在大气压下对样品铁取样发射光谱的特性。 实现了在开放环境下对高熔点金属样品的在线检测, 并发现电弧放电微等离子体与光谱分析源联用具有更高的取样效率。 高采样效率的电弧放电微等离子体源为实现金属及难解离样品的检测提供了一种新的方法。 同时, 相较于传统的取样装置, 避免了复杂的样品制备、 样品传输过程。 实验装置采取简单的针对板放电结构, 分别利用高压脉冲电源、 直流电源获得电弧放电和辉光放电。 实验的结果表明, 在放电功率近似相等的条件下, 电弧放电产生的微等离子体对样品铁取样的光学发射谱中, 样品元素的特征谱线占据主导地位, 同时伴随有空气中氮气的谱线, 而且铁离子(FeⅡ)谱线的相对强度显著高于氮气分子谱线的相对强度。 而在直流辉光放电中, 样品铁原子(FeⅠ)谱线相对强度非常不明显。 由此说明, 电弧放电产生的微等离子体具有更高的采样效率。 放电在样品表面留下的溅射坑也得出了相同的结论。 增加辉光放电电流到25 mA, 发现样品元素铁的谱线仍然没有明显的增强。 同时, 也研究了采样间距对两种采样模式的影响。 实验结果表明, 间距对两种模式的采样光谱没有显著的影响。 采用主要成分为铝的合金铝箔进行了上述对比实验, 得出相同的结论, 即电弧放电微等离子体更适合作为光谱分析源来实现对金属样品的实时快速检测。
发射光谱 微等离子体 电弧放电 辉光放电 大气压取样 Emission spectrum Micro-plasma Arc discharge Glow discharge Ambient sampling 光谱学与光谱分析
2019, 39(6): 1935
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
TiH合金电极是一种含氢量非常高的金属材料，用它作真空弧离子源的电极，可在真空环境下产生强度非常高的氢离子流。相比纯金属材料电极，TiH电极除了出现真空弧放电特有的融蚀现象外，还存在气体释放过程，所以它的表面形貌具有一定的独特性。利用扫描电子显微镜观察了单次放电和多次放电后阴极表面形貌，发现阴极斑在阴极表面微裂纹附近连续分布，气体释放生成很多小孔，使阴极斑区域呈絮状结构；弧流越大，阴极斑数量越多；多次放电后，阴极斑朝含氢量多的地方移动。该结果有助于了解含氢电极的真空弧放电过程，对该类放电的应用具有一定参考意义。
真空弧放电 TiH合金阴极 表面形貌 vacuum arc discharge TiH cathode surface morphology 强激光与粒子束
2018, 30(1): 014001
中国工程物理研究院 核物理与化学研究所, 四川 绵阳 621900
利用发射光谱方法对真空弧离子源放电等离子体特性进行了诊断。同时，基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论，建立了等离子体的发射光谱拟合模型,对真空弧放电离子体光谱进行了分析。针对TiH真空弧离子源，分别对330~340 nm与498~503 nm范围内Ti+离子与Ti原子的发射光谱进行了对比拟合，获得了较好的符合度,解决了传统Boltzmann斜率法计算等离子体温度需要孤立的不受附近谱线干扰的线状光谱的困难。最后，利用该方法计算了真空弧离子源在不同放电条件下的等离子体发射光谱、等离子体密度与温度参数。结果表明，TiH真空弧放电等离子体温度在1 eV左右，同时，放电所产生的氢原子要远远大于金属原子，并且随着真空弧离子源馈入功率的增加，TiH电极中解吸附出来的氢比蒸发出来的金属增加得更多，这有利于TiH离子源在中子发生器方面的应用。
发射光谱 光谱拟合 真空弧放电 金属氢化物 optical emission spectroscopy emission spectra fitting vacuum arc discharge metallic hydride 强激光与粒子束
2015, 27(11): 114004
1 核工业西南物理研究院 聚变科学所, 成都 610225
2 南华大学 电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性,工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响,采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制.为此,提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器,具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点,大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性.设计了滤波电感能量回馈电路,弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调),然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出,形成一个弧电流凹坑.电源还采用超级电容储能技术,使电源体积减小了2/3,电网容量小于10 kV·A.离子源放电时不会受到电网波动的影响,弧放电更加稳定.实验数据显示:该电源最大输出为220 kW/1500 A,电流纹波在1%以内,电流上升时间约100 μs,最大超调量小于3%,可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求.
超级电容 弧放电 多相多重 直流变换器 super capacitor arc discharge multiphase and multiple DC/DC converter 强激光与粒子束
2015, 27(8): 084003
1 北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京 100191
2 北京航空航天大学惯性技术国防科技重点实验室，北京 100191
建立了局部放电引起保偏光纤(PMF)两偏振模间相位延迟变化的模型。将熊猫型保偏光纤(P-PMF)和保偏光子晶体光纤(PM-PCF)分别接入萨格纳克干涉仪进行实验研究，发现局部放电使应力型P-PMF 的相位延迟变小，使形状型PM-PCF 的相位延迟变大，且改变放电电流大小和持续时间可有效改变相位延迟调节量，为调节PMF 中两偏振模间相位延迟提供了实用技术。搭建了在线光纤波片制作装置，进行了PM-PCF 光纤1/4 波片制作的实验研究，实现了0.15°的相位延迟精度。多次实验结果表明，采用该技术可保证约0.24°的相位延迟精度。该技术具有操作简单、成本低等优点，可有效提高光纤波片的相位延迟量精度和制作效率。
光纤光学 光纤波片 电弧放电 光纤相位延迟器
1 北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室, 北京 100191
2 北京航空航天大学惯性技术国防科技重点实验室, 北京 100191
给出了保偏光子晶体光纤（PM-PCF）模场的计算模型，搭建了基于近场光斑成像法的PM-PCF 非圆模场在线测量装置，采用红外成像系统实现了模场参数的绝对测量。在此基础上，研究了放电对PM-PCF 模场的微调作用，结合仿真计算，获得模场参数变化规律。建立了PM-PCF与传统保偏光纤的耦合损耗计算模型，确定了低损耗耦合条件，并进行了熔接实验验证，实现了PM-PCF与传统保偏光纤的低损耗熔接。
光纤光学 保偏光子晶体光纤 模场 近场光斑成像法 电弧放电
