本文針對錐-筒、錐-螺旋電極結(jié)構(gòu)，通過Ansoft Maxwell 3D 電磁場仿真軟件，分析了放電時，兩種電極內(nèi)部的電場分布與磁場分布。通過朗繆爾探針法，對真空放電生成的等離子體參數(shù)進行了測量，重點討論了電極內(nèi)部磁場對等離子體生成密度的影響。在上述討論的基礎(chǔ)上，針對錐-螺旋電極，進一步分析了螺旋電極的螺距對電極間的電磁場分布及等離子體生成和傳播特性的影響。

　　實驗及仿真結(jié)果表明，錐-螺旋電極較傳統(tǒng)的錐-筒電極，可以獲得較高密度的金屬等離子體。放電電流在螺旋狀電極內(nèi)部產(chǎn)生的磁場，對向四周擴散的等離子體有一定的約束作用，適當減小螺旋電極的螺距，既可以增大陰極尖端的電場強度，同時可以有效增大螺旋電極內(nèi)部的磁場強度，更易于在電極軸向獲得更高密度的等離子體。

　　真空放電實際上是真空環(huán)境中產(chǎn)生的金屬蒸汽弧放電現(xiàn)象。通過消耗陰極，電弧點火后會產(chǎn)生金屬蒸汽。蒸汽被部分離子化，這種金屬等離子體具有很高的能量，具有獨特的性質(zhì)。利用離子噴射產(chǎn)生的動能，真空放電等離子體被應(yīng)用于很多領(lǐng)域。應(yīng)用于離子注入技術(shù)，它可以改變物體表面的組織結(jié)構(gòu)，提高耐磨性和耐腐蝕性等物理化學性質(zhì)。應(yīng)用于宇宙空間微小衛(wèi)星推進系統(tǒng)中，可以利用電極產(chǎn)生的金屬等離子體作為推進器的動力源。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為這種等離子體推進器與傳統(tǒng)的化學推進器相比，具有質(zhì)量輕，體積小，效率高等特點。

　　本文結(jié)合前期研究成果，在錐- 筒電極的基礎(chǔ)上，提出了一種錐- 螺旋狀放電電極。運用仿真與實驗相結(jié)合的方法，討論了兩種放電電極間的電磁場分布及其對等離子體生成特性的影響，并重點分析了螺旋狀電極的螺距對等離子體生成和傳播特性的影響。

1、實驗裝置與測量系統(tǒng)

　　1.1、實驗裝置

　　實驗裝置系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。本實驗裝置采用由旋片式機械泵和油擴散泵組成的兩級排氣系統(tǒng)，實驗過程中真空室內(nèi)真空度可以維持在10^-4 Pa。放電電極布置在真空室內(nèi)，陰極為錐角60°的鉛質(zhì)電極，陽極分別為螺旋形鋼質(zhì)電極與圓筒狀鋼質(zhì)電極。放電現(xiàn)象與實驗狀態(tài)可以通過分布在真空室兩側(cè)的觀察窗觀測到。本實驗采用單脈沖放電電源，主放電電路的工作原理圖如圖2 所示。220V 交流電壓，經(jīng)過升壓變壓器和倍壓整流電路后，給0.1μf 的電容C2 充電。觸發(fā)電路發(fā)出控制信號使球間隙導(dǎo)通后， 電容C2 通過160μH 電感、27Ω 電阻將負高壓施加到電極兩端，電極發(fā)生擊穿形成真空電弧進行放電。該單脈沖電源電路的輸出電壓為0-20kV，放電電流幅值為100-300A，放電持續(xù)時間為13μs。

圖1 實驗裝置原理圖

圖2 放電電路原理圖

　　1.2、測量系統(tǒng)

　　本研究中，放電電壓采用直接測量的方式，將兩個高壓探頭分別放置在放電陰極和陽極的接線端子上，測量陰極電壓波形和陽極電壓波形，通過示波器兩通道波形相減的方法測得最終的放電電壓。放電電壓波形如圖3 所示。高壓放電電路電流的測量采用分流器原理，在放電陽極和地之間串聯(lián)一個1Ω 的測量電阻，實驗中采用一個75Ω 的高頻同軸電纜將分流器與測量儀器連接起來。所測得的放電電流波形如圖4 所示。

圖3 擊穿電壓波形　圖4 放電電流波形

　　等離子體參數(shù)的測量則采用朗繆爾探針法。由于脈沖放電產(chǎn)生等離子體是瞬態(tài)過程，探針上施加一定正電壓，可以檢測到隨時間變化的電子電流波形，如圖5 所示。改變探針電壓值，在每一個電壓下進行多次放電，讀取電子電流的峰值并求其平均值作為最終測量結(jié)果。不斷改變探針電壓，測得如圖6 所示的探針電壓的V-I 特性曲線。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為通過特性曲線可以分析探針周圍等離子體的電子密度、電子溫度、空間電位等參數(shù)。

圖5 電子電流波形　圖6 V-I 特性曲線

2、結(jié)論

　　本文針對錐- 筒、錐- 螺旋電極結(jié)構(gòu)，通過實驗與仿真相結(jié)合的方法，分析了放電電極內(nèi)部的電場與磁場分布及其對等離子體密度的影響，重點針對螺旋狀電極研究了電極螺距對電極間磁場分布和等離子體生成及傳播特性的影響。

　　(1)電極結(jié)構(gòu)對等離子體的生成特性有重要影響。放電電路初始儲能相同時，錐- 螺旋電極結(jié)構(gòu)比錐- 筒電極結(jié)構(gòu)可以獲得更高密度的金屬等離子體。

　　(2)螺旋狀電極的內(nèi)部磁場對等離子體的生成特性有一定影響。適當減小螺旋電極的螺距，既可以增大陰極尖端的電場強度，同時也可以增大螺旋電極內(nèi)部的磁場強度，有效減少等離子體向四周的擴散，在電極軸向獲得更大密度的金屬等離子體。

　　(3)本文提出的錐- 螺旋狀電極結(jié)構(gòu)，可以在軸向獲得高密度、高能量的金屬等離子體。這些具有高能量、高密度金屬等離子體的獲得，對于等離子體推進器推力系統(tǒng)的性能改善、提高等離子體推進器的工作效率具有一定的意義。