CN102781157B - 平面射流等离子体产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面射流等离子体产生装置，主要解决目前射流等离子产生装置中等离子体稳定性差、温度高、面积小、密度和流速分布不均匀的问题。整个装置包括等离子体产生腔体（2）、电源装置（3）和气压调节装置（5），等离子体产生腔体（2）的左侧和右侧分别与导流装置（1）和等离子体射流腔体（4）连接；导流装置（1）的进气端和等离子体射流腔体（4）的出气端气压调节装置（5）连接，等离子体射流腔体（4）上开有电极通孔和观察窗，用于施加正交电磁二维场；电源装置（3）为等离子产生腔体（2）提供电源。本发明延长了等离子体持续时间，降低了等离子体温度，扩大了均匀等离子体的面积，可用于研究电磁场对射流等离子体的影响。

Description

平面射流等离子体产生装置

技术领域

本发明属于气体放电等离子体领域，特别涉及平面射流等离子体产生装置，可用于产生较大面积均匀射流等离子体，定量研究电磁二维场对等离子流体的影响。

背景技术

研究电磁二维场对等离子流体的影响，是宇宙飞行器载入研究工作的基础，真实实验需要一种能长时间产生大面积密度可控且二维分布均匀的匀速流动的等离子体产生装置。现有地面产生等离子体的装置主要有激波管、等离子体喷焰和辉光等离子体射流装置，这些装置分别存在以下难以克服的缺点：

1、激波管利用高压强差产生的瞬时高温产生等离子体，持续时间极短，稳定性极差，难以控制。

2、等离子体喷焰产生的等离子体温度高，等离子密度以及分布难以控制，对外加电极有高温烧蚀，且等离子体中还有金属离子，引起电磁削弱实验误差。

3、辉光放电产生的等离子体产生的等离子体，虽然可以较长时间的工作，电子密度可连续调节，也较为稳定，但产生的等离子体基本都是长弧形湍流等离子体，密度二维分布面积小且不均匀，无法定量研究电磁二维场对等离子流体的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种平面射流等离子体产生装置，以延长持续时间，降低温度，扩大均匀等离子体的面积。

为实现上述目的，本发明包括：等离子体产生腔体2、电源装置3和气压调节装置5，电源装置3为等离子体产生腔体2提供电源，其特征在于：等离子体产生腔体2的左侧和右侧分别连接有导流装置1和等离子体射流腔体4；导流装置1的进气端和等离子体射流腔体4的出气端连接有气压调节装置5，等离子体射流腔体4开有电极通孔和观察窗，用于施加正交电磁二维场；气体从气压调节装置5充入导流装置1，经导流装置稳流后流入到等离子体产生腔体2内，在等离子体产生腔体内放电产生等离子，流入到等离子体射流腔体4内，再通过气压调节装置5流出。

作为优选，所述的导流装置1包括：针阀101、第一法兰102、挡板103和第一气压计106；针阀101的一端固定在第一法兰102的左端，另一端与气压调节装置5连接；第一气压计106固定在第一法兰102的下端，用于测量充气的气压；挡板103放置在第一法兰102的右端凹槽内；第一法兰102通过旋钮与等离子体产生腔体2连接。

作为优选，所述的等离子体产生腔体2包括：第二法兰206、圆筒形电极201、圆管形电极204和第三法兰207；第二法兰206和第三法兰207连接在圆筒形电极201左右对称的两侧通孔端；圆筒形电极201上下两侧分别固定有圆形空心盖205，并通过挤压第一密封胶垫203进行密封；圆管形电极204通过圆形空心盖205的中心孔插入圆筒形电极201内，同轴固定在圆筒形电极201的上下两端，并通过螺母挤压第二密封胶垫208进行密封；圆管形电极204通过导线与电源装置3连接；第三法兰207与等离子体射流腔体4连接。

作为优选，所述的等离子体射流腔体4包括：第四法兰403、长方体型腔体401和喇叭型导流槽404；第四法兰403固定在长方体型腔体401的左侧；喇叭型导流槽404的大喇叭口固定在长方体型腔体401的右侧；喇叭型导流槽404的小喇叭口固定有抽气阀405，该抽气阀405与气压调节装置5连接；所述的长方体型腔体401左右两侧开有第一导流槽408和第二导流槽409；长方体型腔体401的前后两侧开有观察窗402，观察窗402密封固定，且外部施加磁场；长方体型腔体401的上侧开有第一通孔410和第二通孔411，在这两个通孔内插入电极施加电场。

作为优选，所述的气压调节装置5包括：第二气压计501、抽气泵502和气罐503；气罐503与针阀101连接，抽气泵502与抽气阀405连接；第二气压计501固定在抽气泵502的抽气口，用于测量抽气气压。

相比现有的地面等离子体装置，本发明具有以下优点：

1、本发明由于采用导流装置，提高了气流的稳定性，形成均匀流场。

2、本发明由于采用等离子产生腔体，运用低气压辉光放电原理，延长了等离子体可持续时间，提高了试验的可重复性。

3、本发明由于采用等离子体射流腔体，扩大了等离子体射流的均匀流速区的面积，能够对等离子体施加正交电磁场，实现对等离子体的电磁抑制方法的研究。下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明的射流等离子体产生装置的整体结构刨面图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明中的等离子体射流腔体结构图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明的平面射流等离子体产生装置，包括：导流装置1、等离子体产生腔体2、电源装置3、等离子体射流腔体4和气压调节装置5，该等离子体产生腔体2分别与导流装置1、电源装置3和等离子体射流腔体4连接，该气压调节装置5分别与导流装置1和等离子体射流腔体4连接，等离子体射流腔体4开有电极通孔和观察窗，用于施加正交电磁二维场；气体从气压调节装置5充入导流装置1，经导流装置稳流后流入到等离子体产生腔体2内，在等离子体产生腔体内放电产生等离子，流入到等离子体射流腔体4内，再通过气压调节装置5流出。其中：

导流装置1，包括针阀101、第一法兰102、挡板103和气压计106；针阀101一端固定在第一法兰102左端，挡板103放置于第一法兰102的右端凹槽内，挡板103上开有均匀排列的圆形通孔107；

等离子体产生腔体2，包括圆筒形电极201、圆形壳盖205、圆管形电极204、第二法兰206和第三法兰207；圆筒形电极201左右对称的两侧开有通孔，第二法兰206和第三法兰207分别通过焊接连接在圆筒形电极201左右对称的两侧通孔端；圆形空心盖205采用紧固旋钮202固定于圆筒形电极201上下两侧，并通过挤压第一密封胶垫203进行密封；圆筒形电极201接地；圆管形电极204通过圆形空心盖205的中心孔插入圆筒形电极201内，并与圆筒形电极201同轴放置，圆管形电极204上下两端采用紧固螺母与圆形空心盖205固定，并通过挤压第二密封胶垫208进行密封；

电源装置3，包括可控交流电源，输出电压范围0-500V，最大功率1KW，输出频率20KHz；

参照图3，等离子体射流腔体4，包括第四法兰403、长方体型腔体401和喇叭型导流槽404；长方体型腔体401的左右两侧开有第一导流槽408和第二导流槽409，用于稳定等离子体射流流速，前后两侧开有观察窗402，并通过紧固螺母进行密封固定，用于观察等离子体射流，长方体型腔体401的上侧开有两个通孔410和411，第一通孔410和第二通孔411中插入有电极412，该电极连接直流电压源413，施加电场，同时在观察窗402外施加与电场正交的恒定磁场；第四法兰403通过焊接连接在长方体型腔体401左端，喇叭型导流槽404的大喇叭口通过焊接连接在长方体型腔体401右端，小喇叭口上固定有抽气阀405；

气压调节装置5，包括气压计501、抽气泵502和气罐503；气压计501通过导管连接在抽气泵502上，用于测量抽气阀405处的气压。

上述部件之间的结构关系如下：

导流装置1的针阀101的另一端与气压调节装置5连接，第一法兰102采用紧固旋钮105与等离子体产生腔体2的第二法兰206固定，并通过挤压第三密封胶垫104进行密封；等离子体产生腔体2的圆管形电极204通过导线与电源装置3连接；等离子产生腔体2的第三法兰207采用紧固旋钮406与等离子体射流腔体4的第四法兰403连接，并通过挤压第四密封胶垫407进行密封；电源装置3的交流电压源为等离子体产生腔体2供电，其一端连接圆管形电极204，另一端接地，通过调节电源电压的大小将等离子体产生腔体2产生的等离子体电子密度控制在10⁸cm^-3-10¹²cm^-3之间；等离子体射流腔体4的抽气阀405与气压调节装置5的抽气泵502连接；气压调节装置5的气罐503连接到导流装置1的针阀101，通过观察气压调节装置5的气压计501和导流装置1的气压计106的数值来调节针阀101的进气速率，用于控制等离子体产生腔体2内的气压以及等离子体射流腔体4内的流速。

本发明的工作原理如下：

首先，拧紧紧固旋钮105、紧固旋钮202和紧固旋钮406，关闭针阀101；然后打开抽气泵502，开始抽气，等到气压计501稳定在20Pa时，打开针阀101，向等离子体产生腔体2内充入惰性气体或者空气，此时气压开始上升，继续抽气，使腔体内充满惰性气体或者空气；当气压计501再次维持在20Pa，气压计106维持在50-300Pa某个设定值时，打开电源装置3，输出500V交流电压；此时圆管形电极204外壁和圆筒形电极201内壁之间的电压迅速升高，并形成径向的电场，气体中少量的自由电子被该电场加速，并与气体中的原子和分子发生碰撞，将自身的动能传递给原子、分子，使其电离出自由电子和正离子来，从而使电子密度增加，电子密度的增加同时也会增大电子与离子复合的速率，最终，电子的产生速率和消失速率达到平衡，电子密度稳定下来。此时，等离子体产生腔体2内的气体被电离，实现了辉光放电。由于导流装置1和等离子体射流腔体4产生的气压差，挡板103和各装置导流槽的导流作用，形成自导流装置1流向等离子体射流腔体4的稳定均匀流场，同时由于等离子体产生腔体2和等离子体射流腔体4内气压很低，电子自由程很长，电子会随着稳定均匀的流场扩散到整个等离子体射流腔体4内，形成大面积电子密度和流速均匀的等离子体平面射流。然后打开直流电压源413，在观察窗402外施加正交恒定磁场，此时就可以进行电场和磁场对射流等离子体的影响实验。

以上实例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制。

Claims (9)

1.一种平面射流等离子体产生装置，包括：等离子体产生腔体(2)、电源装置(3)和气压调节装置(5)，电源装置(3)为等离子体产生腔体(2)提供电源，其特征在于：等离子体产生腔体(2)的左侧和右侧分别连接有导流装置(1)和等离子体射流腔体(4)；导流装置(1)的进气端和等离子体射流腔体(4)的出气端连接有气压调节装置(5)，等离子体射流腔体(4)开有电极通孔和观察窗，用于施加正交电磁二维场；气体从气压调节装置(5)充入导流装置(1)，经导流装置稳流后流入到等离子体产生腔体(2)内，在等离子体产生腔体内放电产生等离子，流入到等离子体射流腔体(4)内，再通过气压调节装置(5)流出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：导流装置(1)包括：针阀(101)、第一法兰(102)、挡板(103)和第一气压计(106)；

针阀(101)的一端固定在第一法兰(102)的左端，另一端与气压调节装置(5)连接；

第一气压计(106)固定在第一法兰(102)的下端，用于测量充气的气压；

挡板(103)放置在第一法兰(102)的右端凹槽内；

第一法兰(102)通过旋钮与等离子体产生腔体(2)连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于挡板(103)上开有均匀排列的圆形通孔(107)，以使流入等离子体产生腔体(2)的气流均匀。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于等离子体产生腔体(2)包括：第二法兰(206)、圆筒形电极(201)、圆管形电极(204)和第三法兰(207)；

第二法兰(206)和第三法兰(207)连接在圆筒形电极(201)左右对称的两侧通孔端；

圆筒形电极(201)上下两侧分别固定有圆形空心盖(205)，并通过挤压第一密封胶垫(203)进行密封；

圆管形电极(204)通过圆形空心盖(205)的中心孔插入圆筒形电极(201)内，同轴固定在圆筒形电极(201)的上下两端，并通过螺母挤压第二密封胶垫(208)进行密封；

圆管形电极(204)通过导线与电源装置(3)连接；

第三法兰(207)与等离子体射流腔体(4)连接。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于导流装置(1)的第一法兰(102)采用紧固旋钮(105)与等离子体产生腔体(2)的第二法兰(206)固定，并通过挤压第三密封胶垫(104)进行密封。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于等离子体射流腔体(4)包括：第四法兰(403)、长方体型腔体(401)和喇叭型导流槽(404)；

第四法兰(403)固定在长方体型腔体(401)的左侧；

喇叭型导流槽(404)的大喇叭口固定在长方体型腔体(401)的右侧；

喇叭型导流槽(404)的小喇叭口固定有抽气阀(405)，该抽气阀(405)与气压调节装置(5)连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于长方体型腔体(401)的左右两侧开有第一导流槽(408)和第二导流槽(409)；长方体型腔体(401)的前后两侧开有观察窗(402)，观察窗(402)密封固定，且外部施加磁场；长方体型腔体(401)的上侧开有第一通孔(410)和第二通孔(411)，在这两个通孔内插入电极施加电场。

8.根据权利要求4或6所述的装置，其特征在于第三法兰(207)与第四法兰(403)通过紧固旋钮(406)固定，并通过挤压第四密封胶垫(407)进行密封。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于气压调节装置(5)包括：第二气压计(501)、抽气泵(502)和气罐(503)；

气罐(503)与针阀(101)连接，抽气泵(502)与抽气阀(405)连接；

第二气压计(501)固定在抽气泵(502)的抽气口，用于测量抽气气压。