铝丝电实验过程的光学诊断

（论文部分内容摘抄）

金属丝电现象是指金属细丝在高密度脉冲电流作用下强烈的相变过程。目前,金属丝电现象在 Z-箍缩负载、X-箍缩射线源、纳米金属及金属化合物材料制备等方面都有广泛的应用前景。近年来,国内外的研究人员对金属丝电现象中的极性效应,过程中的线核状态,过程的机理和物态,环境气体、等离子体晕层对过程特性的影响等方面进行了深入而的研究。金属丝在脉冲电流作用下经历熔化、气化、相、形成等离子体放电通道等发展阶段。相后产生的等离子体状态对 金属丝电后续阶段等离子体发展的空间稳定性和均匀性有重要影响。研究金属丝电相爆阶段之后的金属蒸气在外电路作用下的放电特性及产生的等离子状态,对优化金属丝电的工作参数,提高输出产物的 品质具有重要的促进意义。本文将分别使用直径为40μm和100μm的铝丝对其在kA量级、μs尺度的大气 环境下的电现象特性进行研究。在此工作条件下,铝丝电过程的电离主要为铝原子的一次电离,铝原子和铝离子的辐射谱集中在近紫外到可见光波长范围内,本文将在这一波长范围内利用ns时间分辨力的高速 分幅相机和光谱仪对产物的空间分布和等离子体电子温度、密度等参数进行诊断,并对不同放电电压下的金属丝特性进行研究。

实验装置及方法

本文采用由储能电容、自击穿火花间隙开关和铝丝及相应的夹持电极构成的放电回路对铝丝电现象进行研究。装置框图如图所示。其中金属丝两端的电压通过高压探头测量,电流通过线圈测量,示波器由电流信号触发,示波器的同步触发输出给DG535同步信号发生器作为 外部触发源, 同步信号发生器的两路输出分别用来触发高速分幅相机和光谱仪上的ICCD。高速分幅相机(德国Excelitas PCO 公司的pco.dicam像增强器相机)具有1280像素×1024像素分辨力、12位数模转换精度、3ns的时间分辨力,可以1ns的帧间隔进行4分幅摄影。实验中分幅相机用于研究铝丝电放电过程的空间分布和时间发展特性,光谱仪用于研究铝丝电放电过程中的辐射光谱特性,并根据辐射光谱来计算等离子体中的电子密度和温度。实验中分幅相机采用3ns的快门时间即可获得信噪比良好的放电图像,而记录光谱的 ICCD采用20ns的快门时间来保证图像有足够的强度和良好的信噪比。通过调整分幅相机和ICCD的延迟时间,可以实现对放电过程不同阶段的诊断。实验中从传感器至诊断设备的线路传输延时和仪器固有延时都经过标定,计算在总的延迟时间之内。

通过高速分幅相机对过程进行分幅成像诊断,可以观察金属丝电过程中光辐射在空间的分布及 其随时间的变化。在相之后的等离子体形成过程中,分幅图像可以反映等离子体通道的形成过程。

在本文所采用的实验条件下,金属丝电过程中的二次击穿可分为蒸气内部击穿和蒸气沿面击穿两种类型。通过实验中分幅图像的对比以及电压电流波形的对比可知,较细的金属丝在二次击穿时更容易发生内部击穿。

在相同丝半径时,随放电电压的提高,二次击穿时等离子体通道在蒸气较大半径处产生,放电电压越 高越容易发生蒸气沿面击穿。金属蒸气的内部击穿较沿面击穿产生的等离子体在空间上具有更好的对称性和均匀性,且放电过程具有更好的重复性和稳定性。

德国Excelitas PCO 公司的pco.dicam像增强器相机，具备高分辨率、高感光度、快速帧重复率、精确捕捉超快速过程的优点，将可实现高效的单光子检测，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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