同轴枪放电可以产生高速度、高密度及高能量密度的等离子体射流,在等离子体空间推进、天体物理和高温核聚变等研究领域具有广泛的应用.基于同轴枪的实际应用,等离子体速度、密度、纯净度是评估等离子体特性的重要参量.本文通过对等离子体光电流信号和发射光谱的测量及放电图像的拍摄,研究了不同放电电流和气压对同轴枪放电等离子体的动力学特性、电子密度与杂质发射光谱的影响.实验结果表明:气压为10 Pa,放电电流为30—70 k A时,等离子体在枪内的加速时间随电流的增大而缩短,等离子体中阳极和阴极杂质光谱均随电流的增大而增强;放电电流为40 k A,气压为10—70 Pa时,等离子体加速时间随气压的增大而增长,等离子体中阴极杂质光谱强度随气压的增加不断降低,而阳极杂质光谱强度却是逐渐增加的,不过其增长速率逐渐减小.分析认为,不同放电电流和气压决定了等离子体获能、加速特性及电子密度,协同影响金属杂质特性.同轴枪喷口处发生等离子体箍缩效应与高密度电弧在枪内加速时间是影响阳极烧蚀的重要因素,阴极材料的杂质是离子轰击溅射产生的,主要依赖于离子携带的能量.
磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.
