丝爆等离子体中原子和电子密度分布的激光双波长干涉实验研究

发布时间：2022-01-26 02:21

　　为了深入理解真空和空气中铝丝、钨丝的电爆炸的物理过程,需要对电爆炸丝产物中中性原子和电子的密度分布进行定量测量。基于1 kA、0.1 kA/ns脉冲电流源,利用30 ps脉冲激光建立了532 nm和1 064 nm的双波长干涉诊断系统,获得了电爆炸产物中的中性原子和电子数密度分布。并根据电压电流测量计算获得了在真空中电爆炸铝丝的欧姆沉积能量接近其气化焓,电爆炸产物以铝原子为主,铝原子密度在轴线处为最大值,沿半径方向衰减。涂层钨丝局部区域可欧姆加热至气化,电爆炸产物的平均电离度小于0.16。实验结果表明:在真空中金属丝电爆炸的产物组分与金属丝材质密切相关,不同材料的金属丝的表面电子发射能力、气化焓差异都将影响着最终的能量沉积与相变过程。电爆炸丝在空气中膨胀产生冲击波,空气的限制作用也使得电爆炸丝边界处出现质量聚集的现象。实验中当电爆炸丝场强>30k V/cm时,在冲击波和电爆炸丝之间的区域可以观察到显著的等离子体通道。空气环境将延迟铝丝的电压击穿时刻,提高金属丝中的欧姆沉积能量。 

【文章来源】：高电压技术. 2020,46(09)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

电爆炸铝丝的电流电压波形、沉积能量和电阻

基于干涉图像，手动提取干涉条纹，再通过等高线差值等流程，可以得到电爆炸丝对探针激光束引起的条纹偏移数。由式(1)可进一步计算得到电爆炸产物中金属蒸气原子(或空气)和电子的密度分布。在真空中，中性粒子和电子的面密度分布见图4(a)。从图中可知，电爆炸产物以铝原子为主，电子数密度可以忽略。在电压击穿后的106 ns，铝原子面数密度峰值为1.7×1018 cm–2，对面数密度进行积分可得线数密度为9×1016 cm–1，对应于直径15μm铝丝初始质量的90%。对上述面数密度分布进行阿贝尔逆变化，可以得到质量密度分布，见图4(b)所示。铝原子数密度峰值为3.8×1019 cm–3，对应于固体密度的0.06%。空气中电爆炸铝丝，532 nm和1 064 nm的相位偏移图见图3(b)所示，这时电爆炸产物的结构更加复杂。532nm激光和1 064 nm激光的条纹偏移量都朝向中性原子的方向。图中白色箭头外侧区域为压缩的空气。箭头内部出现密度峰值，可能是因为快速膨胀的金属蒸气受到空气的限制而出现质量堆积的现象。

由图6(b)中红外激光得到的局部区域的条纹偏移图见所示图6(c)。图中边界黑色区域为未处理的区域。与图5(c)中的情况显著不同，在空气冲击波的内侧可以观察到显著的负向条纹偏移，表明该区域的电子密度非常显著，可能对应于主要电流通道的位置。电流通道位于金属丝电爆炸产物和冲击波波前之间。与上述2 cm铝丝的实验相比，电压击穿时刻的轴向电场强度显著提高，这可能是导致产生显著电离通道的主要原因。图5 空气中电爆炸铝丝(s16011)的面数密度分布

【参考文献】：
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本文编号：3609622