静态气压下平行轨道加速器电流分布与等离子体速度特性*刘帅†徐涛刘康琪张永鹏杨兰均(西安交通大学电气工程学院,西安710049)(2023年6月19日收到;2023年7月25日收到修改稿)电磁等离子体加速器可产生高密度高速度等离子体射流而广泛应用于等离子体物理研究与应用领域.本文建立了平行轨道加速器电磁驱动等离子体实验平台,通过磁探头阵列和光电二极管阵列研究了静态气压下平行轨道加速器的电流分布和等离子体速度特性.平行轨道加速器驱动电源为正弦振荡衰减波电源,总电容为120μF,回路总电感约为400nH,充电电压为13kV时,放电电流为170kA,脉宽为23.5μs.当放电电流较小、工作气压较高时,平行轨道加速器电流分布较集中,放电模式与雪犁模式相符.随着放电电流的增大或工作气压的降低,平行轨道加速器逐渐出现弥散的电流分布,形成等离子体前沿和等离子体拖尾两个区域.放电电流越大,工作气压越低,电流弥散分布越显著,等离子体前沿电流分布比例越低,等离子体前沿速度越高,但等离子体速度增大的比例远低于放电电流增大的比例或工作气压平方根的倒数增大的比例.关键词：平行轨道,电流分布,等离子体速度,静态气压PACS：52.59.Dk,52.50.DgDOI:10.7498/aps.72.202310071引言电磁等离子体加速器产生的高密度高速度等离子体射流,可应用于边缘局域模的模拟[1,2]、微粒加速[3,4]、空间等离子体实验室模拟[5,6]、等离子体燃料注入[7,8]以及等离子体射流驱动磁化惯性约束聚变[9,10]等领域.雪犁模式是电磁等离子体加速器最常见的工作模式[11].加速器内预先充满一定气压的气体,或采用快速气阀向加速器内注入气体,间隔一定时间使气体充满加速器,初始放电在轨道起始端区域形成一个紧凑的等离子体团,然后等离子体团在洛伦兹力的作用下,沿加速器轴向运动,理想情况下认为运动过程中所扫过的气体分子被全部电离,电离后的粒子随等离子体团以同样的速度轴向运动,运动过程中等离子体团的密度或质量会不断增大,最后在加速器出口形成高速等离子体射流.理想雪犁模式下,电磁等离子体加速器等离子体的速度与流过等离子体的电流成正比.而在实际电流通道的运动过程中,存在许多复杂的现象,如电流泄漏、电流通道倾斜、电极表面阻力等,这些都会对雪犁模式电磁驱动等离子体的过程和速度产生影响[12,13].电流泄漏效应是指部分电流并未流过等离子体团,而是滞留在加速器起始绝缘表面.Bhuyan等[14]在静态气压为40Pa、气体种类为氮气、峰值电流为138kA条件下,通过磁探头测得电流泄漏比例为32%.Tou[15]...
