CN110225642A - 一种新型的电火花放电的混合型等离子体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的电火花放电的混合型等离子体喷射装置，脉冲高压通过触发导电线引入球形触发电极，球形触发电极与球形放电外电极在脉冲高压下击穿，击穿后储能电容通过高压硅堆对放电通道续流，产生更多的电弧等离子体。电弧等离子体产生的高温使得安装于空心球形触发电极内的固体材料气化分解，产生高气压气体，并通过球形触发电极上的气孔注入放电区域，推进等离子体向喷嘴流动，并在永磁体环的磁场约束下，形成窄等离子体射流束，通过喷嘴的收缩效应、高气压气体的推进和磁场的约束作用，使得等离子体束向两个输出端口喷射，并得到较高的喷射速度和长度。该装置为脉冲功率触发开关、等离子体射流处理等的应用提供了有效的支撑。

Description

一种新型的电火花放电的混合型等离子体喷射装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体喷射装置，更具体地说，涉及一种综合了电火花放电、固体材料气化/分解推进和磁场约束调控的快速多输出混合型等离子体喷射装置。
背景技术
等离子体射流装置尤其是大气压下低温等离子体射流装置以比较成熟，在材料处理、生物、医学等方面得到一定的应用。但脉冲等离子体喷射装置，尤其是真空环境或者高压气体环境下的脉冲等离子体喷射装置在高电压脉冲功率触发开关具有较大的潜力，传统的电火花放电等离子体喷射装置，通过放电能量和喷嘴结构的设计，脉冲等离子体喷射装置的喷射高度有限，限制了长气体间隙和多间隙触发开关的应用。为此本发明专利提出固体材料气化/分解和磁场约束的新型混合式喷射装置，喷射高度更高，喷射等离子体束更窄的多输出等离子体喷射装置，大大提升了脉冲等离子体喷射装置的性能，扩展了其输出端口，使其具有可扩展性，为高电压大功率触发开关的同步触发提供了有效支持。
发明内容
本发明专利设计了一种新型的电火花放电的混合型等离子体喷射装置，综合电火花放电系统、固体材料气化/分解推进和磁场约束调控的两个输出端口的脉冲等离子体喷射装置。并通过固体材料气化分解推进和磁场约束提供等离子体喷射的速度和高度，并可以扩展为多个输出端口的等离子体喷射装置。
电火花放电系统用于产生电弧放电等离子体，主要包括球形触发电极、球形放电外电极和高压脉冲电压及续流电路组成。
球形触发电极与放电外电极通过导电线和绝缘部件实现与高压脉冲电压及续流电路的连接，放电区域位于球形触发电极与放电外电极之间。
高压脉冲电压产生纳秒级脉冲高电压，施加于球形触发电极与放电外电极之间，当脉冲电压得到上述电极间的击穿电压时，发生击穿，在放电区域内形成放电通道，与此同时，续流电路自动导通，并间储能电容的能量注入到放电通道内，产生较多的电弧等离子体。
球形放电外电极是空心结构，并开有固定上下端口喷嘴的圆形开口和固定球形触发电极及其导电线的绝缘支撑开口。绝缘密封部件实现固定球形放电外电极，并分为上下两部分，然后通过密封胶和固定螺纹实现绝缘密封部件。
固体材料选用低沸点、易分解材料，比如碘、氰化钛构成，混合后安装于空心球形触发电极内部，在空心球形触发电极外部均匀部分气孔。
放电区域产生的高温等离子体瞬间温度得到3000-5000K，空心球形触发电极内的固体材料气化分解，产生高气压气体，并通过球形触发电极上的气孔注入放电区域，推进等离子体向喷嘴流动。
电弧等离子体在通过固定于喷嘴底部的永磁体环的时候，磁场约束电弧等离子体，电弧等离子体束加快收缩，进而得到更快的流动速度。
在喷射收缩效应、固体材料气化分解气体和磁场约束综合作用下，放电区域的电弧等离子体向上下两端的喷嘴运动，并获得较高的等离子体喷射速度和高度。
本发明通过球形触发电极与放电球隙外电极形成了圆形放电区域，增加了电弧等离子体放电面积，减小了电极表面烧蚀，延长了电气寿命；通过纳秒级脉冲高压电压源和续流电路实现快速大能量等离子体的产生，并通过固体材料气化分解推进和永磁体环磁场束缚增加了等离子体喷射的速度和高度。
附图说明
图1是本发明的新型的电火花放电的混合式型等离子体喷射装置的整体图。
图2是本发明的球形触发电极的截面图。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式进一步的阐述
如图1所示，电火花放电系统由触发导电线14，触发导电线绝缘支撑15，球形触发电极9，放电球形外电极6，纳秒级脉冲高压源和续流电路组成。触发导电线14实现高电压脉冲与续流电流的引入，触发导电线绝缘支撑15用于实现触发导电线与放电球形外电极6之间的绝缘。放电球形外电极6通过固定于绝缘密封部件3中的放电球形导电线7实现与外电路的连接。
触发电极系统的三维图见图2，在空心球触发电极中间位置均匀的开有多个小气孔16，以便内部固体材料气化分解产生的高压气体的导出，推进放电区域电弧等离子体的喷射。触发空心球隙采用高导热率。耐高温的CuCr合金制成，导电连接18和导电线19采用红铜材料制成，绝缘支撑19采用透明绝缘有机玻璃或固体绝缘材料制成，出线端20用于实现与外电路的连接。
放电球形外电极是空心球形结构，与圆柱形的触发导线绝缘支撑15的连接处开有圆形孔23，并通过绝缘密封胶进行密封。与上下喷嘴2和11的连接部分也开有圆形孔21和22。
喷嘴结构设计为圆锥结构，采用陶瓷制成。绝缘密封部件3采用耐高温的聚四氟材料制成，并分为上下两部分，以便于安装。
上下部的永磁体环5和10利用绝缘支撑部件4固定于放电球形外电极6 内，其内环直径与喷嘴结构底部直径一致。
纳秒级脉冲高压源产生脉冲电压，当电压达到球形触发电极9和放电球形外电极6的击穿电压后，触发电极9与放电球隙外电极6导通，高压脉冲电容 C通过整流硅堆对触发电极和放电球形外电极的放电电弧引入更大的电流，以增加放电能量，进而产生更多的放电等离子体，进而放电等离子体充满整个放电区域13。放电能量大小可以通过改变储能电容大小和充电电压实现。
球形触发电极9是空心结构，在其内部充满低沸点、易气化/分解的固体材料，比如碘、TiH2等混合物，TiH2在680℃时剧烈分解，碘在的沸点为184.3 ℃，电弧等离子体放电温度在3000-5000K，脉冲放电瞬间，上述混合的固体材料瞬间气化分解，产生高气压气体，高气压气体通过球形触发电极9中心面周围的气孔9喷出，然后推进放电区域11内的电弧等离子体向两侧上喷嘴2和下喷嘴15推进，加速尽速通过喷嘴，在喷嘴的收缩作用下，等离子体射流加速。
在上喷嘴2的下部和下喷嘴15的上部布置有永磁体圆环5和10，上下永磁体之间形成纵向磁场，在纵向磁场的束缚作用下，等离子体射流将收缩，以减小喷射等离子体束1的宽度，实现更长的喷射高度。
上述所述的实施方式，仅仅是本发明的较佳方式，但本发明的保护范围不局限与此，以此结构为基础的多个输出端口等离子体喷射装置，以及固体材料气化分解与磁场约束的等同替换或改变，都应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型的电火花放电的混合型等离子体喷射装置，其特征在于：它包括电火花放电系统、固体材料气化/分解推进装置和磁场约束调控等离子体射流的装置，所述电火花放电系统用于产生电弧放电等离子体，其包括球形触发电极、球形放电外电极和高压脉冲电压及续流电路；高压脉冲电压产生纳秒级脉冲高电压，施加于球形触发电极与放电外电极之间，当脉冲电压达到上述电极间的击穿电压时，发生击穿，在放电区域内形成放电通道，与此同时，续流电路自动导通，并间储能电容的能量注入到放电通道内，产生电弧等离子体。
2.如权利要求1所述的一种新型的电火花放电的混合型等离子体喷射装置，其特征在于：所述的球形触发电极是空心结构，在其内部充满低沸点、易气化/分解的固体材料，电弧等离子体放电温度在3000-5000K，脉冲放电瞬间，所述固体材料瞬间气化分解，产生高气压气体推进电弧等离子体收缩加速。
3.如权利要求1所述的一种新型的电火花放电的混合型等离子体喷射装置，其特征在于：所述的喷嘴结构底部固定有永磁体圆环，约束等离子体射流，减小等离子体束宽度，提高等离子体喷射速度和高度。
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