阅读说明：本技术 一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统 (Capillary system for generating repeated-frequency high-heat-load plasma jet ) 是由 陈立 李兴文 蒋仕 杨伟鸿 谷坤泉 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统,毛细管的一端呈开口设置,开口处的一侧管壁上设置有地电极,毛细管的另一端设置有绝缘,高压电极的一端设置在毛细管的管壁处,另一端伸出至绝缘的外部连接高压脉冲电源,毛细管中间管段的管壁上设置有触发电极,触发电极作为放电电弧的起燃引弧阶段通道,并连接负触发脉冲,在毛细管的触发极和高压极之间施加重频触发脉冲,通过控制触发脉冲产生和开关的导通时序,实现毛细管重频放电产生重复频率的热等离子流。本发明通过优化设计电路结构,减小装置体积、减少元件数量,进而降低装置成本的作用,提供了高效、稳定、安全的实现方案。(The invention discloses a capillary system for generating plasma jet with repeated frequency and high thermal load, wherein one end of a capillary is arranged in an opening, a ground electrode is arranged on the tube wall on one side of the opening, the other end of the capillary is provided with an insulator, one end of a high-voltage electrode is arranged on the tube wall of the capillary, the other end of the high-voltage electrode extends out of the insulated outside and is connected with a high-voltage pulse power supply, a trigger electrode is arranged on the tube wall of a middle tube section of the capillary, the trigger electrode is used as a channel of a firing and arc-striking stage of a discharge arc and is connected with a negative trigger pulse, the repeated frequency trigger pulse is applied between the trigger electrode and the high-voltage electrode of the capillary, and the generation of the repeated frequency thermal plasma. The invention reduces the volume of the device and the number of elements by optimally designing the circuit structure, thereby reducing the cost of the device and providing a high-efficiency, stable and safe implementation scheme.)

一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统

技术领域

本发明属于等离子体发生装置技术领域，具体涉及一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统。

背景技术

毛细管脉冲等离子体发生器是一种是用来产生热等离子体的常用结构。它通过对毛细管上连接的两极施加高压脉冲导致放电现象，产生温度高、密度大、速度快的等离子体射流。其中，毛细管管壁材料通常采用碳氢高分子如聚乙烯，管长几厘米至十厘米、内径两毫米至六毫米，径长比小于0.1。毛细管两端分别连接高压电源的两极，一端为封闭电极，一端为空心喷口电极。在高压脉冲放电下，可以通过毫米级脉宽的脉冲大电流，迅速加热烧蚀毛细管管壁而产生热等离子体，热等离子体在毛细管内压强的作用下从封闭端喷向空心喷口端，从而形成高温、高密、高速的热等离子体流。

毛细管脉冲等离子体发生器产生的热等离子体可用于材料喷涂、废料处理、软X射线、电力推进器及控制枪炮药剂燃烧等领域。目前，典型的毛细管脉冲等离子体发生器通常在封闭电极与喷口电极间连接一根金属丝，在高压脉冲的作用下金属丝汽化形成初始等离子体，并在放电过程中通过烧蚀管壁最终形成热等离子体流。但是当需要毛细管实现重频放电以产生重频高热负荷离子体流时，典型的毛细管等离子体发生器无法满足相应要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统，解决毛细管等离子体发生器无法实现重频热高负荷等离子体流的问题，并提出新的电路结构使得系统稳定、安全、高效。

本发明采用以下技术方案：

一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统，包括毛细管，毛细管的一端呈开口设置，开口处的一侧管壁上设置有地电极，毛细管的另一端设置有绝缘，高压电极的一端设置在毛细管的管壁处，另一端伸出至绝缘的外部连接高压脉冲电源，毛细管中间管段的管壁上设置有触发电极，触发电极作为放电电弧的起燃引弧阶段通道，并连接负触发脉冲，在毛细管的触发极和高压极之间施加重频触发脉冲，通过控制触发脉冲产生和开关的导通时序，实现毛细管重频放电产生重复频率的热等离子流。

具体的，高压电极的一端穿过绝缘与毛细管的管壁贴紧，另一端依次经晶闸管及调波电感与高压脉冲源连接，由高压脉冲触发高压电极作为阳极。

具体的，晶闸管的高电平持续时间为25～70μs。

具体的，触发电极紧贴毛细管的管壁设置，触发电极至高压电极的管长占毛细管长度的1/7～1/5。

具体的，地电极呈空心状结构，一端的电极孔与毛细管的管壁紧贴设置，另一端接地连接作为阴极。

具体的，负触发脉冲通过隔离电容后分两路，一路与触发电极的伸出端连接，另一路依次经二极管和接地电阻后接地连接。

进一步的，负触发脉冲包括纳法级电容，纳法级电容的一端依次经第一开关器件和第一调波电感后与隔离电容连接，另一端分两路，一路与高压脉冲源共地，另一路依次经第一续流二极管和第一调波电感后与隔离电容连接。

进一步的，负触发脉冲包括脉冲变压器，脉冲变压器输出端的一端分两路，一路与储能电容的一端连接，另一路与第二开关器件的公共端连接，第二开关器件的常开端分两路，一路与第二续流二极管的负极连接，另一路经第二调波电感与隔离电容连接；脉冲变压器输出端的另一端分三路，分别与储能电容的另一端，第二续流二极管的正极以及与高压脉冲源共地连接。

更进一步的，第一开关器件或第二开关器件的高电平持续时间为300～700ns。

具体的，热等离子流的重复频率小于等于50Hz。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统，采用高压脉冲源及负触发脉冲触发方式使毛细管放电的可控性增强，通过对两个电源的脉冲脉宽、幅值控制及开关的时序控制，可以对毛细管放电的起燃引弧过程进行控制，使毛细管放电更加安全稳定、高效可靠，通过高压电极、触发电极、地电极的设计，取代了原有的金属丝引弧汽化过程，需放电实验的情况下，装置优化、操作简易，开关的时序控制可以控制起燃引弧过程的起始时间，调节放电重频；电源的脉冲宽度、幅值控制可以控制起燃引弧过程的快慢，进而影响后续主放电过程，从而达到调节喷射出的热等离子流的温度、密度及速度的效果。

进一步的，通过设计触发电极至高压电极的管长占毛细管长度的1/7～1/5，可以很好地匹配高压电极和触发电极间的起燃引弧过程和高压电极与地电极间的主放电过程。

进一步的，通过设计空心状地电极与毛细管喷口处管壁紧贴的结构，巧妙地为热等离子体流提供喷射的通道及喷口，并提高了放电过程中装置的稳定性。

进一步的，通过设计电路回路中的电阻、电容及二极管，能够有效地保护电路，并达到简化电路结构，减小装置体积、减少元件数量，进而降低装置成本的作用

进一步的，采用储能电容直接放电产生负脉冲的方式，可以减小装置体积、减少元件数量，同时提高负脉冲产生电路的效率，操作简单，但对储能电容的要求较高。

进一步的，用通过脉冲变压器结构产生负脉冲的方式，可以有效提高电压，对储能电容的要求不高，容易实现。

进一步的，通过实现重频的高热负荷等离子体射流，是有创新、有价值的，对考核重频等离子体流对材料的损伤提供了实验条件，比如在电热化学枪、托卡马克装置、电力推进器中均能得到很好的应用。

综上所述，本发明一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统一方面实现了毛细管放电产生重频高热负荷等离子体流的目的，另一方面通过开关时序控制可以调节热等离子体流的参数。同时本发明通过优化设计电路结构，减小装置体积、减少元件数量，进而降低装置成本的作用，提供了高效、稳定、安全的实现方案。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为毛细管系统的设计方案示意图；

图2为大电容储能直接放电的负触发脉冲电路结构图；

图3为通过变压器升压、利用小电容进行放电的负触发脉冲电路结构图；

图4为开关时序控制图。

其中：1.高压电极；2.触发电极；3.地电极；4.高压脉冲源；5.调波电感；6.晶闸管；7.负触发脉冲；8.隔离电容；9.二极管；10.接地电阻；11.绝缘；12.毛细管；13.热等离子流；14.第一调波电感；15.第一开关器件；16.第一续流二极管；17.纳法级电容；18.脉冲变压器；19.第二开关器件；20.储能电容；21.第二续流二极管；22.第二调波电感。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统，通过对毛细管结构进行改进，以及对脉冲电源及电路结构的改进，使毛细管等离子体发生器能够产生高频热负荷等离子体，并使起燃引弧阶段可以得到更好的控制。

请参阅图1，本发明一种产生重频高热负荷等离子体射流的毛细管系统，包括毛细管2和脉冲电源电路，毛细管12由聚乙烯制成，其管壁上设置有三个电极，分别为高压电极1、触发电极2以及地电极3；脉冲电源电路包括高压脉冲电源4和负触发脉冲7，高压脉冲电源4连接高压电极1，负触发脉冲7连接触发电极2，地电极3接地连接，毛细管采用两级结构，在触发极和高压极之间施加重频触发脉冲，并控制触发脉冲产生和晶闸管导通时序，实现毛细管重频放电，产生重复频率50Hz的高热负荷等离子体射流，即热等离子流13。一方面实现了毛细管放电产生重频高热负荷等离子体流的目的，另一方面通过开关时序控制可以调节热等离子体流的参数。

高压电极1、触发电极2以及地电极3均采用耐烧蚀金属材料如钨、钨铜合金制成。

高压电极1的一端穿过毛细管12一端设置的绝缘11与毛细管12的管壁贴紧，另一端依次经晶闸管6及调波电感5与高压脉冲源4连接，由高压脉冲触发高压电极1，作为毛细管放电系统中的阳极。

其中，调波电感5起到调节脉冲波形的作用，控制晶闸管6的时序可以控制高压电极1上的触发脉冲作用时间；绝缘11一方面可以使毛细管12封闭端密闭、形成大的气压使等离子体流喷射，另一方面对毛细管12内放电与外界进行绝缘保护。

触发电极2紧贴毛细管12的管壁，一端由毛细管12的中间管段处伸入，触发电极2至高压电极1的管长占毛细管12长度的1/7～1/5，该部分作为放电电弧的起燃引弧阶段的通道。

负触发脉冲7通过隔离电容8与触发电极2的伸出端连接，触发电极2作为毛细管放电系统的阴极，同时触发电极2依次经二极管9和接地电阻10接地。

其中，二极管9性能要求能够通过大电流，接地电阻10选为100欧姆，该支路能够对起燃引弧阶段的电流进行泄放。

负触发脉冲7包括大电容储能直接放电的负触发脉冲电路和变压器升压、利用小电容进行放电的负触发脉冲电路。

请参阅图2，是大电容储能直接放电的负触发脉冲电路，包括纳法级电容17，纳法级电容17的一端依次经第一开关器件15和第一调波电感14后与隔离电容8连接，另一端分两路，一路与高压脉冲源4共地，另一路依次经第一续流二极管16和第一调波电感14后与隔离电容8连接。

请参阅图3，是通过变压器升压、利用小电容进行放电的负触发脉冲电路，包括脉冲变压器18，脉冲变压器18的输出端一端分两路，一路与储能电容20的一端连接，另一路与第二开关器件19的公共端连接，第二开关器件19的常开端分两路，一路与第二续流二极管21的负极连接，另一路经第二调波电感22与隔离电容8连接；脉冲变压器18输出端的另一端分三路，分别与储能电容20的另一端，第二续流二极管21的正极以及与高压脉冲源4共地连接。

地电极3呈空心状结构，地电极3的电极小孔与毛细管12的管壁紧贴设置，同时直接接地作为毛细管放电系统的阴极，重频高热负荷等离子体流13将从地电极3和毛细管12的开口处喷射出。

请参阅图4，第一开关器件15或第二开关器件19的高电平持续时间为300～700纳秒，晶闸管6的高电平持续时间为25～70微秒。

在工作过程中，通过高压脉冲源4、负触发脉冲7上的开关时序控制，使高压电极1与触发电极2起燃引弧，形成较强的放电；在该阶段中，脉冲大电流将迅速加热烧蚀、消融高压电极与触发电极间的聚乙烯毛细管管壁，从而产生C、H、CO及初始等离子体，迅速产生较大压强推动这些物质向毛细管开口端流动。

当初始等离子体流流经触发电极与地电极时，初始等离子体在高压电极与地电极间形成放电通道，在该主放电过程触发电极与地电极间的毛细管管壁被迅速烧蚀、消融，产生大量热等离子体，产生更大的压强，进而在毛细管喷口处形成高温、高密、高速的热等离子体流13。

由于负脉冲脉宽7为几百纳秒，负脉冲信号能够通过电容作用在触发电极2上进行放电的触发，二极管9阻止脉冲信号传向接地电阻10；在起燃引弧阶段，放电时长为几微秒，隔离电容8将隔离放电电流，电流将通过二级管9及接地电阻10流向大地。

二级管、接地电阻能够通过大电流，接地电阻10选较大值，取80～120欧姆。

在主放电阶段，电流将分别通过触发电极2、地电极3流向大地，但是由于接地电阻远远大于等离子体流的电阻，故主要电流将通过地电极3流向大地，触发电极2上的电流占总电流的0.8％～2％。

此外，通过对两个电源的脉冲脉宽、幅值控制及开关的时序控制，可以对毛细管放电的起燃引弧过程进行控制，使毛细管放电更加安全稳定、高效可靠。开关的时序控制可以控制起燃引弧过程的起始时间，调节放电重频；电源的脉冲宽度、幅值控制可以控制起燃引弧过程的快慢，进而影响后续主放电过程，从而达到调节喷射出的热等离子流的温度、密度及速度的效果。

通过高压脉冲源及负触发脉冲上开关的时序控制，在开关重复开断、闭合下，毛细管系统的工作过程将重复上述说明，从而产生重频高热负荷等离子体流。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。