磁旋转电弧中热阴极弧根形态的实验研究

阴极弧根形态对电弧状态和电极损耗有着重要影响。在同轴电极磁旋转电弧等离子体发生器中,利用高速CCD观察了阴极弧根斑点形态随外加轴向磁场的演化过程,采用双波长法从CCD影像得到阴极端面温度分布;利用水冷电探针对近阴极区等离子体参数进行诊断,得到了阴极附近电子温度及阴极区位降。实验结果表明:(1)在50 A电弧电流下,随着轴向磁场从0.01 T增加到0.02 T,阴极端面最高温度下降,阴极弧根斑点增大,阴极附近等离子体电子温度逐渐降低,阴极弧根为收缩模式;(2)在100 A电弧弧电流下,轴向磁场从0.01 T增加至0.015T,阴极状态变化趋势与前相同;(3)在100 A电弧弧电流下,当轴向磁场增大到0.02 T时,弧根斑点弥散均匀,阴极区位降明显升高,阴极弧根模式由收缩模式转变为扩散模式。分析认为,磁旋转电弧中弧根模式的转变是一个突变的过程。     

外部磁场对直流电弧等离子体放电特性的影响及其机理

通过外部磁场驱动电弧旋转产生相对均匀的等离子体是一种可能的改进等离子体放电特性的有效手段。利用高速摄像技术和虚拟仪器技术,观察并测量了大气条件下、非均匀磁场驱动的直流电弧等离子体阳极弧根运动以及电弧电压波动。结果发现:相比无外部磁场,非均匀外部磁场驱动下的直流电弧等离子体在旋转力和稳弧力的作用下阳极弧根旋转,均匀性提高;其电弧电压波动幅度增大,放电模式发生改变;伏安特性曲线向上平移,电弧等离子体炬放电功率提高。另外,由于等离子体射流的高速运动而引起的等离子体射流在喷口处径向扩张,使等离子体射流横截面扩大,进一步提高了射流的均匀性。从结果中可以看出,外部磁场改善了直流电弧等离子体炬的基本特性,对直流电弧等离子体炬应用效率的提高具有重要的意义。     

阴极边界条件对双射流电弧等离子体特性影响的二维数值模拟

在电弧等离子体的数值模拟研究中,阴极表面的温度及电流密度等参数的分布会直接影响到电弧弧柱区的等离子体特性。为了研究不同边界条件对电弧弧柱区等离子体特性的影响规律,采用双温度流体模型,通过给定阴极鞘层外缘不同的电流密度、电子及重粒子温度分布,对双射流直流电弧等离子体弧柱区的特性进行了二维数值模拟研究,并通过与实验测量结果的比较,讨论了不同边界条件的合理性。研究结果表明,在电弧弧电流及发生器几何参数不变的情况下,阴极鞘层外缘重粒子温度边界条件对计算得到的电弧弧柱区等离子体特性的影响可以忽略不计,电流密度对弧柱区等离子体流动特性有显著影响,而电子温度边界条件则对弧柱区电弧形貌及传热与流动特性均有显著的影响。     

直流电弧对导线电极侵蚀特性的仿真及实验研究

导线的绝缘劣化和接头处电极接触不良等因素时常导致电弧的发生。直流电流因其无过零点的缘故,发生电弧时会对设备造成极大的侵蚀损害,甚至造成失火。针对电流为几十安的光伏及直流配电网等直流电应用场景,基于磁流体动力学(MHD)理论并且考虑电弧与电极之间的能量耦合,建立了导线电极的电弧–电极多物理场耦合仿真模型。模型中电弧热源考虑了焓传递项,电弧与阴极能量传递过程中考虑了热电发射电子流与阴极表面温度的关系和电场隧道效应,研究分析了电弧系统的温度场特性,探究了在不同电流、导线截面积和导线电极间距情况下,直流电弧对导线电极的侵蚀程度。研究结果表明：电弧的温度在靠近电极的区域高于弧柱中心的温度,阴极附近的温度略高于阳极附近的温度;然而,阳极的温度始终高于阴极温度;并且,电弧电流越大或者电极间距越大,电极表面的侵蚀熔融区越大;线径越大,电极表面的侵蚀熔融区越小。仿真与实验均表明10mm²导线截面积的导线要求通过的电流在20 A以下才能有效防范电弧对导线电极的侵蚀;仿真结果表明并不是增大电极间距便可减轻侵蚀,间距为2 mm时导线电极未发生侵蚀;50 A的电流需要选择35 mm     

径向放电的等离子体阴极脉冲电子束实验研究

本文研究和设计了静电聚焦型的径向放电真空电弧等离子体阴极脉冲电子束源。在分析轴向放电的真空电弧等离子体阴极稳定性的基础上,改进结构,设计了径向放电的真空电弧等离子体阴极,由于表面比较狭窄,产生真空电弧后,阴极斑点的高速移动也都位于直径小于2mm的环形阴极内表面上,从而使得电子发射效率较为稳定。并以此为发射阴极,设计径向放电结构的空心阳极等离子体阴极电子束源,该电子束源为无磁场引导的皮尔斯型电子束源,其主要由等离子体阴极和静电聚焦系统两部分组成。实验测量过程中,采用法拉第筒测量了电子束的相关参数,得到比较稳定的脉冲电子束。     

基于ANSYS的空气电弧放电等离子体温度数值模拟

吸入一氧化氮(NO)疗法因其具有疗效快、非创伤性及高选择性等优点,在临床救治新生儿急性肺损伤和持续肺动脉高压等相关疾病方面逐步得到广泛应用.电弧放电是产生NO的一种新方法.因此,研究控制空气电弧放电合成NO的等离子体参数,对实现电弧放电合成医用NO在临床上的应用具有重要意义.本文根据磁流体动力学理论,建立了脉冲电弧放电等离子体轴对称数学模型,运用ANSYS软件,对电弧放电等离子体温度场分布和电流密度进行了数值模拟.结果表明,当电流增大时,阳极附近温度增大,阳极电流密度增大;当弧长增加时,阳极附近温度增大,阳极表面电流密度增大,阴极电流密度略变小.温度的升高,有利于NO的合成及抑制NO2的生成.     

真空电弧研究进展综述

介绍了国内外真空电弧的研究进展,综述了真空电弧的主要研究方向。真空电弧以电流过零点为界,分为燃弧阶段和弧后介质恢复阶段。燃弧阶段的研究点主要有阴极斑点特性、阳极斑点特性和弧柱区特性;弧后介质恢复阶段的研究点主要有弧后电流特性和鞘层发展特性。最后指出了目前真空电弧研究存在的不足,讨论了真空电弧今后的研究方向。     

真空拉弧起始收缩过程实验研究北大核心CSCD

真空电弧的形态分布主导燃弧阶段等离子体分布特性,起始收缩过程的等离子体分布对成功开断有重要影响。为了研究机构运动过程中真空电弧的起始收缩特性,分析燃弧工况对收缩持续时间的影响,文中以10 kV可拆真空灭弧室为载体,建立真空电弧工频开断实验平台及电弧形态观测系统,通过改变灭弧室参数,结合电弧图像数字处理技术,对真空拉弧起始收缩时间进行定量分析。结果表明:起始收缩电弧的持续时间基本与电流幅值和起弧电流呈较明显正相关,与机构分闸速度呈负相关。纵向磁场对中心弧柱和边缘区域作用相反,文中利于扩散的临界磁场为60 mT,当纵向磁场小于60 mT时,收缩态电弧趋向扩散;纵向磁场大于60 mT时,收缩态持续时间增大。     

真空电弧的磁场效应

根据大电流真空电弧物理模型,基于磁场对电流的作用力,分析了真空电弧自生磁场收缩效应及对分断电弧的影响,得到弧柱中自生磁场产生的电磁压强分布,指出了外加纵向磁场分量对减小自生磁场收缩效应的作用.     

纵向气流对电弧稳定性的影响

电弧作为能量传输媒介在焊接、冶金、电接触等领域得到广泛关注与应用。实际工况下,干扰气流无法避免,导致电弧弧根跳跃、弧柱弯曲,电弧的稳定性大幅下降,严重影响了其应用的可靠性。基于上述问题,引入纵向气流,对干扰气流作用下的电弧稳定性进行调控。通过搭建实验平台与仿真模型,定量分析了纵向气流速度、电极间隙对电弧稳定性的影响。结果表明:纵向气流可以限制电弧弧根位置,降低电弧电压波动,提高电弧的稳定性;随着电极间隙的增大,电弧稳定性变差,采用纵向气流对电弧稳定性进行调控的难度提升;纵向气流速度与电弧电压波动存在“U型”关系,随着纵向气流速度的增大,电压波动程度总体呈先减小后增大趋势。     

真空电弧截流现象的理论研究

对小电流冷阴极真空电弧的单个阴极斑点建立了以能量平衡、离子守衡为基础的数学模型,将真空电弧的电流ｉ、阴极压降ｖｃ 这些宏观参数与阴极斑点的半径ｒ、温度ｔ 及电子电流占总电流的比例ｓ,这些微观参数联系起来,并对铜和银分别研究了电弧电流对阴极斑点状态的影响,而且比较了铜和银在相同条件下阴极斑点的所有可能状态。发现对同种阴极材料电弧电流越大则阴极斑点可能的存在状态越多,在标度相同的ｒ－ ｔ 平面上存在的点越多,点堆积成的图形面积也越大。在相同的电弧电流下的不同触头材料,截流水平越低阴极斑点可能存在的状态越多,因此提出了用相同标度下ｒｔ 平面上的阴极斑点可能的存在状态面积作为衡量真空电弧相对稳定性的标准。这为比较不同触头材料截流水平相对大小提供了简便方法,有利于对低截流值触头材料的研究。     

横向磁场作用下真空电弧阴极过程数学模型的研究

通过联立沙哈方程、质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、空间电荷方程、电流连续性方程及电子发射公式，建立了横向磁场作用下直流真空电弧阴极过程的定量数学模型，模型中不仅考虑了多价离子的作用，而且计及了阴极表面外加横向磁场对等离子体的影响。通过对电弧电流为８０Ａ的钛阴极真空电弧的数值求解，得到了大量等离子体参数随磁场变化的规律。计算结果与实验测量值相吻合。本文联系人     

Arc erosion characteristics of Cu-W contact at load current range in SF6 gas

Development of SF₆ gas-insulated switches that have a long service life and are highly reliable at medium voltage ratings require arc erosion of contacts in SF₆ gas to be decreased. The effects of SF₆ gas pressure and magnetic field for arc blow-out on erosion were studied experimentally in detail using sintered Cu-W contacts. The test current, SF₆ pressure and magnetic field were 100 to 400 A, 0.1 to 0.6 MPa and 0 to 50 mT, respectively. The results show that the arc erosion rate increased linearly with the SF₆ pressure. The magnetic field effectively reduced anode erosion (i.e., the application of a mere 50 mT lowered the erosion rate to 1/3 to 1/4). These phenomena may be attributed, respectively, to the increase in evaporation rate according to the shrinkage of arcing spot areas caused SF₆ pressure and a decrease of the evaporation rate correlating to high-speed movement of the arcing spot on the anode by the magnetic field. However, the cathode erosion was insensitive to the magnetic field. The influence of both W grain size and composition ratio, Cu:W, on the erosion rate was also studied. The smaller W grain at Cu content of 50 to 70 wt.% was found to be best for suppression of erosion under the present conditions. Further, the increase of N₂ mixture ratio to SF₆ under constant total gas pressure greatly decreased contact erosion. © 1997 Scripta Technica, Inc. Electr Eng Jpn, 118 (1): 41–51, 1997     

Diamond-like carbon film produced by vacuum arc deposition technique and its surface appearance

Diamond-like carbon (DLC) films are deposited in a dc vacuum arc plasma with a graphite cathode. The arc current, the flow rate of hydrogen gas and the pressure are 50 A, 10 ml/min and 0.05 Pa, respectively. The substrate materials are Si (111), soda-glass and Mo. Process parameters are deposition time (3 to 30 min). The films are analyzed by laser Raman spectroscopy and the surface appearance of the films are observed with an optical microscope. The results are as follows: (1) the films deposited under these conditions have diamond-like carbon structure; (2) the films deposited for 3 min on Si or Mo and for 5 min on glass, wrinkle on the substrates; (3) the films deposited for more than 10 min on Si and for more than 15 min on glass, crack and flake off the substrates; and (4) the films deposited for more than 10 min on Mo, plainly stick on the substrate without any wrinkles or flakes. It is found that plain DLC films are able to be produced by the vacuum arc deposition method if the deposition time is selected appropriately, while never by the conventional plasma CVD method.     

电弧“黑盒”模型参数的准确确定方法

提出了在对电弧“黑盒”模型参数不作任何假定的情况下,准确确定其数值的方法,并以两种“黑盒”模型为例进行了说明.     

锂离子电池正极材料的研究进展

介绍了中国科学院物理研究所固体离子学实验室最近对商品LiCoO2进行表面纳米包覆层处理后电化学性质得到显著改善以及LiMn2O4掺Cr后改善了高温性能的实验结果.同时评述了近年来国际上在锂离子电池正极材料研究中的最新成就,包括Mn基层状正极材料和磷酸盐正极材料.     

阴极碳酸盐涂覆工艺的规范性对灯管品质的影响

通过对阴极碳酸盐（Cathode Carbonates）（以下称电子粉）的组分、作用及理化特性进行分析，探究阴极碳酸盐涂覆工艺规范对灯管品质的影响。