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鋁絲電實驗過程的光學診斷
（論文部分內(nèi)容摘抄）
金屬絲電現(xiàn)象是指金屬細絲在高密度脈沖電流作用下強烈的相變過程。目前,金屬絲電現(xiàn)象在 Z-箍縮負載、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用前景。近年來,國內(nèi)外的研究人員對金屬絲電現(xiàn)象中的極性效應,過程中的線核狀態(tài),過程的機理和物態(tài),環(huán)境氣體、等離子體暈層對過程特性的影響等方面進行了深入而的研究。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 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)具有重要的促進意義。本文將分別使用直徑為40μm和100μm的鋁絲對其在kA量級、μs尺度的大氣 環(huán)境下的電現(xiàn)象特性進行研究。在此工作條件下,鋁絲電過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范圍內(nèi),本文將在這一波長范圍內(nèi)利用ns時間分辨力的高速 分幅相機和光譜儀對產(chǎn)物的空間分布和等離子體電子溫度、密度等參數(shù)進行診斷,并對不同放電電壓下的金屬絲特性進行研究。
實驗裝置及方法
本文采用由儲能電容、自擊穿火花間隙開關(guān)和鋁絲及相應的夾持電極構(gòu)成的放電回路對鋁絲電現(xiàn)象進行研究。裝置框圖如圖所示。其中金屬絲兩端的電壓通過高壓探頭測量,電流通過線圈測量,示波器由電流信號觸發(fā),示波器的同步觸發(fā)輸出給DG535同步信號發(fā)生器作為 外部觸發(fā)源, 同步信號發(fā)生器的兩路輸出分別用來觸發(fā)高速分幅相機和光譜儀上的ICCD。高速分幅相機(德國Excelitas PCO 公司的pco.dicam像增強器相機)具有1280像素×1024像素分辨力、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換精度、3ns的時間分辨力,可以1ns的幀間隔進行4分幅攝影。實驗中分幅相機用于研究鋁絲電放電過程的空間分布和時間發(fā)展特性,光譜儀用于研究鋁絲電放電過程中的輻射光譜特性,并根據(jù)輻射光譜來計算等離子體中的電子密度和溫度。實驗中分幅相機采用3ns的快門時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的快門時間來保證圖像有足夠的強度和良好的信噪比。通過調(diào)整分幅相機和ICCD的延遲時間,可以實現(xiàn)對放電過程不同階段的診斷。實驗中從傳感器至診斷設備的線路傳輸延時和儀器固有延時都經(jīng)過標定,計算在總的延遲時間之內(nèi)。
通過高速分幅相機對過程進行分幅成像診斷,可以觀察金屬絲電過程中光輻射在空間的分布及 其隨時間的變化。在相之后的等離子體形成過程中,分幅圖像可以反映等離子體通道的形成過程。
在本文所采用的實驗條件下,金屬絲電過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。通過實驗中分幅圖像的對比以及電壓電流波形的對比可知,較細的金屬絲在二次擊穿時更容易發(fā)生內(nèi)部擊穿。
在相同絲半徑時,隨放電電壓的提高,二次擊穿時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稱性和均勻性,且放電過程具有更好的重復性和穩(wěn)定性。
德國Excelitas PCO 公司的pco.dicam像增強器相機，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復率、精確捕捉超快速過程的優(yōu)點，將可實現(xiàn)高效的單光子檢測，為實驗提供強而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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