毛细管放电等离子体【科研仪器非标】

   毛细管放电等离子体以其高密度（＞10²⁵/m³）、高出口速率（＞10⁴m/s），高热流通量（可达GW/m²级，时长百微秒左右）、较高温度（1～5eV）等特点，广泛应用于电热化学炮、材料表面处理、纳米材料制备、激光波导、等离子体加速器以及等离子体推进器等领域。科研仪器非标毛细管放电等离子体可通过大容量高功率脉冲电源向等离子体发生器中的与两电极相连的金属细丝放电或电极间的自由击穿，以形成初始电弧通过烧蚀毛细管中的器壁产气材料（如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、尼龙等）、石墨或氚化锂而产生。因此毛细管的放电过程是研究毛细管放电等离子体特性及其应用的关键所在。

  毛细管的放电过程属于烧蚀控制型放电，即放电过程通过等离子体对毛细管器壁材料的不断烧蚀来维持。烧蚀作用对外围等离子体进行冷却，以限制毛细管中等离子体的形态；而烧蚀产物进入等离子体以补充自喷口处随射流流失的质量。在通常的电热化学炮中，毛细管通常用高分子材料制成，其长度通常在厘米量级，而半径通常为几毫米。在应用中毛细管的一端封闭，另一端敞开以喷射等离子体射流。典型的放电脉宽在百微秒到毫秒数量级，而放电电流则在几千安至几十仟安。

  由上可见，烧蚀现象是毛细管放电等离子体发生器中最为重要的物理现象，是研究毛细管放电等离子体的基础。同样，等离子体对材料的烧蚀现象也是等离子体研究领域的一个重要的研究方向，烧蚀现象广泛存在于受控热核聚变、等离子体推进器、激光加工以及开关设备等研究领域中。国际学术界很早便开始了对等离子体烧蚀问题的研究，关于等离子体对材料的烧蚀模型的研究由来已久，早在20世纪初，朗缪尔基于等离子体动理论提出了自己的烧蚀模型，该模型假设烧蚀产物粒子速度遵从麦克斯韦分布，可自由扩散至环境中。该模型广泛应用于激光与金属材料相互作用和脉冲等离子体推进器的研究之中，然而该模型忽略了非真空环境下背景压强的影响，在气压放电场合，由于存在大量的烧蚀产物粒子在与背景粒子碰撞后回流到烧蚀材料表面，朗缪尔烧蚀模型会显著高估烧蚀产物质量。因此，Anisimov在进一步研究中，提出了一种考虑了背景压强影响下克努森层的处理方法，该方法假设烧蚀产物为单原子蒸汽。随后Knight与Cercignani分别独立地对该处理方法进行了扩展，科研仪器非标进一步考虑了多原子分子效应所引起的内部自由度的影响。Keida则将等离子体与烧蚀材料之间细化为克努森层和非平衡流体层，并采用Anisimov处理克努森层的方法并与非平衡层中的守恒方程式相耦合，提出了动力学烧蚀模型，动力学烧蚀模型是等离子体温度、器壁温度和等离子体数密度的函数，该模型是基于但粒子蒸汽假设，会低估烧蚀率达25%。随后Zaghloul在Keidar提出的动力学烧蚀模型的基础上进一步考虑了多粒子效应，考虑了内部自由度的影响，并考虑了背景温度对等离子体参数的影响，对动力学烧蚀模型进行了扩展，但由于没有考虑背景压强的影响，烧蚀率随压强变化较大。

  此外，一种基于物理经验的烧蚀模型也广泛应用于毛细管放电模型中，该模型假设烧蚀现象主要由等离子体的辐射现象产生，认为辐射能量的一部分作用于烧蚀材料，从而产生烧蚀产物。而辐射能与烧蚀产物的数量关系则通过烧蚀焓联系起来。实际应用中，辐射能的比例与烧蚀焓多通过对试验结果进行拟合来选取。此类烧蚀模型由于计算简单，并通过试验结果拟合，广泛应用于开关设备中。

  在明确了毛细管放电等离子体发生器内部的烧蚀模型后，人们开始着手建立毛细管放电模型。早期的工作通常将毛细管内部区域划分为电弧等离子体区域与烧蚀蒸汽区域，再在两个区域中分别求解质量、动量与能量守恒方程，并通过在交界面处考虑质量、动量与能量交换来将两个区域耦合起来。而近年来的一些工作通常将毛细管内部作为一个整体区域，并考虑等离子体与毛细管内壁之间的质量、动量与能量交换过程。Pekker同时计算并验证了在毛细管放电等离子体模型中应用局部热力学平衡、层流模型、忽略磁压等假设的可能性。Winfrey则进一步考虑了理想等离子体和非理想等离子体的影响。国内学者大多基于后一种处理方法，建立了零维或一维的数学模型，并取得了与实验较为一致的结果。

  由于动力学烧蚀模型与MHD方程相互耦合，求解困难，大多数毛细管放电模型利用经验烧蚀模型来处理等离子体对毛细管的烧蚀问题，因而不能很好地模拟瞬态放电情况。同时上述数学明星多为一维，认为等离子体的参数在径向上均匀分布，然而根据Niemeyer的试验结果，毛细管内等离子体的径向分布并不均匀，而这种不均匀性会进一步影响等离子体射流发展形态。此外，在一维模型中假设在烧蚀现象发生时，来自毛细管壁的质量、动量与能量流会瞬间进入等离子体并均匀分布在径向上，因此无法描述径向方向上的参数输运。

  电热化学炮是毛细管放电等离子体的一个重要应用，其被视为新概念身管武器家族中可以最早应用于实战的武器，有效地解决了传统火炮点火延迟与工作稳定性的问题。同时，科研仪器非标随着低敏感高能量密度发射药的发展，传统点火方式往往不能应对其低易损性，等离子体点火技术恰好为该型发射药提供了有利的点火思路。然而，虽然电热化学炮的技术优势已为人们所熟知，但是人们对其中一些管件机理的研究尚不透彻，认识不足，阻碍了电热化学炮的工程化与武器化的进程。而其中最为关键的两大技术问题，则是等离子体发生器的放电特性与等离子体的形为控制，以及等离子体与发射药，特别是新型低敏感高能量密度发射药的相互作用机理。因此，在对毛细管放电等离子体特性研究的同时，需要关注等离子体与发射药的相互作用机理。

  然而针对等离子体对发射药的增强点火机理，研究存在分歧。美国的研究表明辐射起着十分显著的作用，更指出其份额占到了传递总能量的30%以上。这与主要承担英国电热化学炮研究工作的BAE系统公司与QinetiQ公司的研究结果是相互矛盾的。QinetiQ公司的研究人员指出，等离子体对发射药的增强点火作用主要取决于熔丝爆炸后产生的高温金属蒸汽在药床表面产生的能量沉积作用；BAE系统公司的最新研究发现，两种仅透明度存在差异的发射药的点火效果几乎完全一致。由此说明，辐射在等离子体对发射药的增强点火过程中所起的作用几乎可以忽略不计。

  而在等离子体对发射药的点火化学动力模型方面的研究明显不足，激光与发射药的相互作用的研究相对深入，国内外不同学者针对硝铵发射药XM39，单质RDX、HMX和GAP以及RDX-TAGZT伪发射药等发射药，将传热学模型与化学动力理论相结合，建立了复杂化学动力学燃烧模型。然而科研仪器非标与激光点火相比等离子点火较为复杂，且不恒定地输入热流通量和大量的物质交换过程制约着等离子体与发射药相互作用的理论研究。