触发型真空弧离子源放电特性研究

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触发型真空弧离子源具有放电电压低、放电电流大、可重复频率工作等特点,广泛用于材料表面改性、加速器离子注入,等离子体推进器以及核物理等研究与应用。本论文在对国内外触发型真空弧离子源的放电特征和理论、触发放电的方式及触发机理认识和分析的基础上,采用实验和数值仿真相结合,对沿面触发型真空弧离子源的放电特性进行了分析和研究。为认识和理解沿面触发放电机理,采用PIC方法,基于Fowler-Nordheim场致发射的初始电子发射和二次电子倍增以及绝缘体表面脱附气体层碰撞电离模型,对高压情况下,沿面触发放电结构的电场分布、放电过程中电子和离子随时间的分布进行了仿真,初步获得了沿面闪络过程中二次电子倍增-产生流注-击穿的过程图像。从触发离子源触发特性、导通特性、电压、电流以及延时等电气参数出发来研究触发型离子源放电特性,结果表明,离子源触发的动作时延与触发结构、触发电流密度以及触发电压相关,与主间隙的外加电压和主间隙的距离关系不大。触发电压在7~11kV范围,主间隙放电弧电压约30V,从触发电压峰值时刻到主间隙电压开始下降时刻时间差的平均值约为20ns,从主间隙电压峰值时刻到主间隙电压趋于稳定的时间差的范围为130-210ns,且随着主间距增大而递增。通过高时空分辨能力的高速相机与放电参数测量相结合的手段对其放电机理特性进行研究,并讨论了阴极斑的形成和等离子体的扩散对触发真空弧放电的影响。得到了触发起弧的过程以及主间隙的导通的图像,讨论了影响触发真空弧放电的因素。基于平板探针诊断手段对触发离子源总离子电流进行了测量,分析了离子源离子电流的大小。结果表明离子源的结构对于离子电流大小有重要的影响,离子电流与弧电流呈线性关系,触发离子源的离子电流的相对标准偏差在7%~17%之间,而且受弧电流大小的影响较小。基于光谱方法对触发放电等离子体进行诊断,获得了钛阴极放电等离子体的电子激发温度,并讨论了弧电流对发射光谱以及等离子体电子温度的影响。研究发现触发离子源电离度较高,等离子体电子温度在2eV左右。
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