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鋁絲電實(shí)驗(yàn)過(guò)程的光學(xué)診斷
（論文部分內(nèi)容摘抄）
金屬絲電現(xiàn)象是指金屬細(xì)絲在高密度脈沖電流作用下強(qiáng)烈的相變過(guò)程。目前,金屬絲電現(xiàn)象在 Z-箍縮負(fù)載、X-箍縮射線源、納米金屬及金屬化合物材料制備等方面都有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)金屬絲電現(xiàn)象中的極性效應(yīng),過(guò)程中的線核狀態(tài),過(guò)程的機(jī)理和物態(tài),環(huán)境氣體、等離子體暈層對(duì)過(guò)程特性的影響等方面進(jìn)行了深入而的研究。金屬絲在脈沖電流作用下經(jīng)歷熔化、氣化、相、形成等離子體放電通道等發(fā)展階段。相后產(chǎn)生的等離子體狀態(tài)對(duì) 金屬絲電后續(xù)階段等離子體發(fā)展的空間穩(wěn)定性和均勻性有重要影響。研究金屬絲電相爆階段之后的金屬蒸氣在外電路作用下的放電特性及產(chǎn)生的等離子狀態(tài),對(duì)優(yōu)化金屬絲電的工作參數(shù),提高輸出產(chǎn)物的 品質(zhì)具有重要的促進(jìn)意義。本文將分別使用直徑為40μm和100μm的鋁絲對(duì)其在kA量級(jí)、μs尺度的大氣 環(huán)境下的電現(xiàn)象特性進(jìn)行研究。在此工作條件下,鋁絲電過(guò)程的電離主要為鋁原子的一次電離,鋁原子和鋁離子的輻射譜集中在近紫外到可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi),本文將在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)利用ns時(shí)間分辨力的高速 分幅相機(jī)和光譜儀對(duì)產(chǎn)物的空間分布和等離子體電子溫度、密度等參數(shù)進(jìn)行診斷,并對(duì)不同放電電壓下的金屬絲特性進(jìn)行研究。
實(shí)驗(yàn)裝置及方法
本文采用由儲(chǔ)能電容、自擊穿火花間隙開關(guān)和鋁絲及相應(yīng)的夾持電極構(gòu)成的放電回路對(duì)鋁絲電現(xiàn)象進(jìn)行研究。裝置框圖如圖所示。其中金屬絲兩端的電壓通過(guò)高壓探頭測(cè)量,電流通過(guò)線圈測(cè)量,示波器由電流信號(hào)觸發(fā),示波器的同步觸發(fā)輸出給DG535同步信號(hào)發(fā)生器作為 外部觸發(fā)源, 同步信號(hào)發(fā)生器的兩路輸出分別用來(lái)觸發(fā)高速分幅相機(jī)和光譜儀上的ICCD。高速分幅相機(jī)(德國(guó)Excelitas PCO 公司的pco.dicam像增強(qiáng)器相機(jī))具有1280像素×1024像素分辨力、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換精度、3ns的時(shí)間分辨力,可以1ns的幀間隔進(jìn)行4分幅攝影。實(shí)驗(yàn)中分幅相機(jī)用于研究鋁絲電放電過(guò)程的空間分布和時(shí)間發(fā)展特性,光譜儀用于研究鋁絲電放電過(guò)程中的輻射光譜特性,并根據(jù)輻射光譜來(lái)計(jì)算等離子體中的電子密度和溫度。實(shí)驗(yàn)中分幅相機(jī)采用3ns的快門時(shí)間即可獲得信噪比良好的放電圖像,而記錄光譜的 ICCD采用20ns的快門時(shí)間來(lái)保證圖像有足夠的強(qiáng)度和良好的信噪比。通過(guò)調(diào)整分幅相機(jī)和ICCD的延遲時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電過(guò)程不同階段的診斷。實(shí)驗(yàn)中從傳感器至診斷設(shè)備的線路傳輸延時(shí)和儀器固有延時(shí)都經(jīng)過(guò)標(biāo)定,計(jì)算在總的延遲時(shí)間之內(nèi)。
通過(guò)高速分幅相機(jī)對(duì)過(guò)程進(jìn)行分幅成像診斷,可以觀察金屬絲電過(guò)程中光輻射在空間的分布及 其隨時(shí)間的變化。在相之后的等離子體形成過(guò)程中,分幅圖像可以反映等離子體通道的形成過(guò)程。
在本文所采用的實(shí)驗(yàn)條件下,金屬絲電過(guò)程中的二次擊穿可分為蒸氣內(nèi)部擊穿和蒸氣沿面擊穿兩種類型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)中分幅圖像的對(duì)比以及電壓電流波形的對(duì)比可知,較細(xì)的金屬絲在二次擊穿時(shí)更容易發(fā)生內(nèi)部擊穿。
在相同絲半徑時(shí),隨放電電壓的提高,二次擊穿時(shí)等離子體通道在蒸氣較大半徑處產(chǎn)生,放電電壓越 高越容易發(fā)生蒸氣沿面擊穿。金屬蒸氣的內(nèi)部擊穿較沿面擊穿產(chǎn)生的等離子體在空間上具有更好的對(duì)稱性和均勻性,且放電過(guò)程具有更好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。
德國(guó)Excelitas PCO 公司的pco.dicam像增強(qiáng)器相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，將可實(shí)現(xiàn)高效的單光子檢測(cè)，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
廣州市元奧儀器有限公司作為德國(guó) Excelitas PCO 公司像增強(qiáng)器相機(jī)在中國(guó)的代理商之一，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對(duì)相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流！
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