半导体桥等离子体温度的实验研究

基于原子发射光谱双谱线法测温原理,对半导体桥(SCB)等离子体温度进行实时瞬态测定;实验研究了放电脉冲条件下等离子体温度的变化规律及不同脉冲能量对等离子体温度的影响.结果表明:充电电容为22 μF,初始放电电压由21 V增大到63 V,等离子体峰值温度由2 000 K上升至6 200 K;放电电压为39 V,充电电容由...     

SCB传热模型及点火能量验证

以电容放电的方式研究了半导体桥(SCB)点火过程与药剂之问可能存在的能量作用形式.设计了不同的点火实验,有针对性地验证了等离子体对药剂的冲击作用和渗透热作用.从等离子体存在形式出发,利用等离子体传热理论,初步建立了等离子体传热模型.对斯蒂芬酸铅(LTNR)、叠氮肼镍(NHA)和硝酸肼镍(NHN)进行单颗粒球形传热模型的Fourier分析和数值模拟,并对三种药剂进行了SCB点火实验.LTNR、NHA、NHN三种药剂的最低点火电压分别为11,15,39 V.点火实验结果表明,药剂的导热系数影响SCB点火属性,导热系数小的药剂对应的最低点火电压也小.结合模拟的结果得到了SCB等离子体点火中,渗透热作用为主要能量作用形式的结论.     

斯蒂芬酸铅的半导体桥点火试验研究

通过对半导体桥(Semiconductor Bridge,SCB)装药条件下发火电压、发火电容及积分能量对点火时间影响的对比,结合不同点火条件下,桥体两端电压曲线、电流曲线和电流二次峰出现时间的比较,研究了斯蒂芬酸铅(LTNR)的半导体桥点火机理。试验发现特定的点火电路下,SCB点火时间存在一个临界值,且SCB等离子体形成的快慢直接影响点火时间。在充电电压从大到小的点火过程中,在桥与药剂之间存在2种不同的点火机理,在较高点火电压下为等离子体点火机理,在低电压为热点火机理。     

叠氮化铅半导体桥点火研究

利用半导体桥(Semiconductor Bridge,SCB)作为发火元件点燃叠氮化铅(Lead Azide,LA),获得了其电压电流曲线,通过分析其电压电流曲线和烧蚀后的桥面,发现两种不同的点火机理:当LA的颗粒较大时(45μm),利用SCB产生的等离子体将药剂点燃;当LA的颗粒较小时(1μm),SCB不产生等离子体就可以将药剂点燃。非等离子体点火时,其发火电压约为等离子体点火时的20%,降低了SCB的点火能量。此外,压药压力对非等离子体点火的最低发火电压有一定影响,80MPa时其发火电压最低。     

电感耦合等离子体放电特性的三维仿真研究

针对电感耦合等离子体(ICP)的放电问题,设计了一种闭式透波腔体构型,建立了ICP的流体力学模型,并利用多物理场仿真平台COMSOL进行三维仿真研究。分析了放电过程中电子密度、电子温度和等离子体电势等典型参数随时间的变化规律,在此基础上改变射频电源的功率、腔体内气压等条件,获得ICP的参数范围以及空间梯度分布。结果表明,放电功率主要影响等离子体参数的数值范围,而气压的改变则对等离子体参数的数值和空间分布都会产生影响。当射频电源功率从100 W增加到300 W时,电子密度峰值从2.54×10¹⁷ m^-3增加到5.68×10¹⁷ m^-3,同时反应稳定后加热区感应出的电势和相应的电子温度呈现小幅降低;腔内气压在一定范围内升高会使得电子密度明显增加,气压从10 Pa增加到30 Pa,电子密度从9.12×10¹⁷ m^-3上升到3.62×10¹⁸ m^-3,但气压过高会导致等离子体参数分布的均匀性变差。     

发射药等离子体点火与常规点火性能的比较

为研究等离子体点火与传统点火方式在点燃发射药机理方面的主要差别,利用等离子体点火中止燃烧装置,分别在等离子体点火和常规点火(黑火药及2/1樟)条件下,测得了太根药、单基药及硝胺药等发射药的燃烧中止压力-时间曲线.研究了等离子体点火方式下电能的输出曲线和作用过程特点;计算了不同点火方式下的点火能量;分析了发射药的点火方式对点火延迟时间的影响.结果表明,等离子体高能粒子射流的温度、能量、压力及速度等相关参数在喷孔的轴向和径向呈衰减分布.与传统的点火方式相比,等离子体点火方式能在较低的点火能量下缩短点火延迟时间.     

含能材料等离子体点火过程的强瞬态二维热传导分析

针对在等离子体点火过程中,当热量传播速度为有限值时,其传热机理和适用经典傅里叶定律时热量传播速度为无限大时完全不同。通过对傅里叶定律进行修改,使其能够在强瞬态导热中应用。在柱坐标下建立火药颗粒强瞬态热传导的轴对称二维数学物理模型,并进行数值模拟,计算得到了火药颗粒内部温度场分布,分析了不同因素对等离子体点火性能特别是点火延迟的影响以及火药颗粒内部加入热电偶后对内部温度场分布的影响。计算结果表明：等离子体辐射温度越高,点火延迟越小;辐射吸收层越小,表面温度达到着火点所需时间越短,点火延迟也就越小;松驰时间对等离子体点火产生滞后影响,松驰时间大使热传导系统保持原有稳走状态的能力就强,热传导能量难以向内部渗透。当插入热电偶测量温度时,热电偶对温度场分布会产生影响。     

以铝钨为金属层的半导体桥等离子气体电子密度检测

为了更好地理解半导体桥的放电性能,我们用微波谐振探测技术对半导体的等离子气体电子密度进行了检测。这一方法简便易用,而且在真空中（≤10^-5Torr)测量半导体桥所产生的随时间变化的等离子气体密度时是非常灵敏的。这一与时间相关的技术方法是建立在对冷等离子气体介电常数测量的基础之上的。SCB所产生的等离子气体会导致探头的谐振频率产生一个偏移。在这个应用中,由于屏蔽效应、细小的桥区域以及未知的复合离子因素,使得使用本方法要比用Langmuir探测法效果好得多。我们的实验结果表明,随着输入能量的增加,SCB所产生的等离子气体的电子密度也趋于增加,但钨金属层半导体桥所产生的等离子气体中的电子密度,在输入能量很高时基本上恒定不变。     

低能SCB装置桥／药剂界面的优化

对发火能量低于100μL的SCB装置进行了讨论。就SCB桥本身而言，需要通过较小的桥尺寸来实现其低能性能。在SCB桥的质量和体积可比较的情况下，不同厚度的桥的电特性虽然有所差异，它们的性能却基本上是一样的。然而对于利用SCB来进行点火的含能材料来说，桥厚度的不同所带来的差异却非同小可。研究发现．桥厚度与药剂颗粒大小的比率要比桥面积与药剂颗粒大小的比率重要得多。文章对球磨BNCP在低压药压力下用于SCB点火的可靠性进行了介绍。对于颗粒尺寸大于球磨BNCP的重结晶BNCP来说，必须要在较高的压药压力下才能实现低能SCB点火。文章还对诸如叠氮化铅以及DXN-1等其它起爆药的颗粒尺寸效应作了介绍。选用合适的起爆药，尤其要注意选择合适的起爆药颗粒尺寸，SCB的点火就会非常可靠，并可利用SCB桥自身的全发火水平进行调整。总而言之，在对SCB桥／药剂界面进行优化后，可以肯定的是，只要有足够的能量来产生SCB等离子体，含能材料就会发火。     

等离子体诊断的Ka波段透射测量系统研制与应用

在理论分析的基础上,研制了基于非接触测量条件下等离子体参数诊断的Ka波段透射测量系统.利用已知介电参数的泡沫介质棒验证了Ka波段透射测量系统的可靠性与测量精度,测试结果表明:在静态测量条件下该系统的测量误差小于1.5％.Ka波段透射测量系统应用于激波管等离子体参数诊断,获得了电子密度和碰撞频率的瞬态变化曲线.在相同实验条件下,Ka波段透射测量系统的等离子体电子密度诊断结果与朗谬尔静电双探针的测量结果较为吻合,表明该系统应用于动态等离子体诊断的结果可信,满足非接触测量条件下瞬态等离子体诊断要求.应用误差理论分析了Ka波段透射测量系统的测量误差,结果表明其相对误差小于10％.     

Experimental Study on Plasma Temperature of Semiconductor Bridge

The plasma temperature of the semiconductor bridge (SCB) was measured in real-time according to relative intensity ratio of dual lines of atomic emission spectrum.The plasma temperature under different discharge pulses and the influence of discharge pulse energy on it were studied.The results show that the plasma peak temperature rises gradually with the increase of initial discharging voltage and charging capacitance.For the capacitance of 22 μF,if the initial discharging voltage increases from 21 V to 63 V,the plasma peak temperature rises from 2 000 K to 6 200 K.For the discharging voltage of 39 V,the peak temperature rises from 2 200 K to 3 800 K when the capacitance increases from 6.8 μF to 100 μF.The change of pulse discharge has a very small effect on the plasma temperature at the late time discharge (LTD).In view of the change of plasma temperature with the pulse energy,the discharging voltage has a greater effect on the plasma temperature than the capacitance.The results provide some experimental basis for the further research on SCB ignition and detonation mechanisms.     

半导体桥对含能材料的点火特性研究

在10μF钽电容放电激励下,对两种阻值相当质量不同的半导体桥(SCB)和细化的发火药剂斯蒂芬酸铅(LTNR)和叠氮化铅(PbN6)所组成的发火件进行了实验研究,根据发火件的电特性变化和发火现象发现半导体桥存在电热发火、电爆发火和等离子体发火三种情况,测试了SCB/LTNR和SCB/PbN6发火件的50%发火电压和发火时间。结果表明半导体桥的发火电压阈值不仅与发火药剂有关,还与半导体桥换能元有关,所以半导体桥的设计存在最佳质量,通过对比得知LTNR比PbN6感度高,PbN6比LTNR的燃速高。     

半导体桥静电作用前后点火特性

对静电作用过的半导体桥和未经受静电作用的半导体桥进行D-最优化点火实验,得到全发火电压,并在全发火电压下点火,用示波器采集电压、电流以及发火时间等信号,用显微镜观察桥面的烧蚀情况并计算烧蚀面积。分析得到:静电对半导体桥的桥膜产生了损伤,静电电压越大,烧蚀面积越大;经过静电作用的桥与未静电作用的桥相比,全发火电压降低,发火能量减小,桥变得更加敏感。对全发火电压下的发火能量和发火时间进行t检验,得到21 kV是临界值,静电电压大于21 kV,静电对桥的性能影响明显;小于21 kV,静电对桥的影响不大。     

原子发射光谱双谱线法测量半导体桥（SCB）等离子体温度（英）

在原子发射光谱双谱线法的基础上,设计了含有两个干涉滤光片和光电倍增管双谱线测温系统。仪器的最高的时间分辨率为0.1μs。讨论了不同能量输入条件下SCB等离子体的温度和等离子体的存在时间。实验结果表明在电压24~32 V,电容68μF不变的情况下,等离子体的温度从2710 K升高到3880 K,等离子体存在时间从170.7μs上升到283.4μs。     

叠氮肼镍半导体桥点火研究

研究了一种新型高威力起爆药叠氮肼镍(nickel hydrazine azide,NHA)的半导体桥(semiconductor bridge,SCB)点火性能,确定了其最佳的点火参数为压药压力60MPa,电容47μF,药剂粒度49μm。研究其电压-时间曲线和电压-点火能量曲线发现:在高电压下,半导体桥产生等离子体将药剂点燃,低电压下,半导体桥产生的焦耳热可以在炸药中形成热点,将药剂点燃。     

高钝感半导体桥发火性能研究

为了提高半导体桥（SCB）火工品的安全性,在SCB极脚间并联负温度系数（NTC）热敏电阻,可使NTC-SCB半导体桥满足1.5 A不发火、最高2.0 A不发火的高钝感要求。研究了1.0 A和 1.5 A通电条件下NTC热敏电阻与SCB并联后的分流情况,通过电容放电、恒流激励下的发火实验和发火感度实验对比分析了SCB、NTC-SCB和1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验后的NTC-SCB半导体桥发火性能。结果表明：在1.0 A、1.00 W、5 min和1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验条件下,NTC热敏电阻的分流比约为35%和62%,达到热平衡时的温度大约为112 ℃和170 ℃; 在33 μF、30 V电容放电条件下并联NTC热敏电阻及1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验后,SCB的发火时间和临界发火能量均没有出现显著性变化;在7.0 A恒流激励下,由于输入能量速率较慢以及NTC热敏电阻分流的原因,发火时间和临界发火能量均有较明显提高;SCB的99.9%发火电流在并联NTC热敏电阻后从2.329 A增加到3.709 A,NTC-SCB的99.9%发火电流在1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验后从3.709 A增加到4.285 A,仍然可用于提供大于5.571 A电流的火工装置。     

火药燃烧等离子体电导率理论计算研究

基于火药燃烧等离子体低温、高压、瞬态的弱非理想性质,提出了综合考虑电子与离子、电子与中性粒子碰撞作用的电导率计算模型。通过计算含电离种子K_2CO_3发射药燃烧产物的电子密度和电导率,揭示了火药燃气电子密度和电导率随温度、时间的变化规律。结果表明:在2 000~3 000K范围内,火药燃气的电子密度和电导率随温度的上升而增大;火炮发射过程中,火药燃气的电子密度和电导率随时间逐渐减小,且呈非线性下降趋势。初始时刻,电子密度ne和电导率σ最大,分别为2×10~(22)m~(-3)、705.6 S/m。