[发明专利]一种离子风气流加速装置及其电流密度测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体领域，特别涉及一种离子风气流加速装置及其电流密度测试装置。

背景技术

离子风的历史可以追溯到1709年，英国科学家Francis Hauksbee首次发现离子风现象。1899年，英国人Chattock通过一对平板电极的实验得出了离子风倾斜平板的压力和电流的简单关系，首次定量分析了离子风现象。

“空气电晕放电”是指在曲率半径大小相差极大的电极之间施加高压，诱导在曲率半径较小的电极附近的空气电离。离子风气流加速装置则是利用空气放电时的离子运动产生的气流实现气流加速的一种装置。离子风发生过程可描述为：空气中存在的自由电子和离子在受到强电场的作用下产生气流加速，从而获得足够的能量。高速运动的离子和电子频繁碰撞中性空气分子诱导其产生新的离子和电子。新的电子和离子在库仑力的作用下获得更大能量撞击空气中性分子，从而产生更多的离子和电子。上述过程循环往复，电流迅速达到饱和，发生“电子雪崩”，产生大量离子和电子。电晕极1与集电极2之间的区域可分为“电离区”和“漂移区”两部分，如图1所示，电晕极1和电离层边界04之间的区域称为“电离区”；集电极2和电离层边界04的区域称为“漂移区”。电离区内存在正离子05和电子02。电子02受电场力作用向电晕极1运动并被吸附中和；正离子05受电场力作用向电离层边界04移动，继而进入漂移区，在继续向集电极2运动的过程中，与中性气体颗粒06碰撞、吸附及中和，进行能量和动量的转移，带动周围中性空气分子运动继而形成持续的离子风。离子风气流加速装置机理的本质是空气分子发生电晕放电，诱导空气中的中性粒子发生电离并产生气流运动的过程。

离子风气流加速装置主要由电极结构、高压电源以及气流通道三部分组成，其相互作用关系可用图2表示为：高压电源为电极结构提供能量及波动电压，气流通道与电极结构之间存在流体边界效应。其中，高压电源为气体分子发生电晕放电和极间离子输运提供能量，电极结构的参数主要涉及电晕极与集电极的几何形状以及两者之间的距离等，气流通道作为气流运动的通道，可提供不同的实验环境，包括空气湿度、气体类型、室内温度、光线等的不同。

离子风气流加速装置机理的复杂性是由于其内部涉及到两电极之间发生电晕放电的电场、空间电荷密度场、气流通道内的流场等多个物理场的耦合。因此，研究并分析每个场量的参数和变化，使其利于气流量的增大，进而提高离子风速，是人们实验研究的主要目的。

由前述，空间电荷密度由电晕放电的电场强度决定。电晕放电产生的空间电荷自身会激发产生新的电场，从而影响原来电场的大小和空间分布。产生离子风的关键在于空气分子发生电晕放电，在电场力作用下加速运动，与周围中性空气分子发生动电能和动能的交换，带动周围空气分子运动从而产生气流。所以，空间电荷密度的大小直接影响气流速度。气流场的速度反过来又影响空间电荷的对流和扩散。气流场不但影响空间电荷分布，还影响着空间电场的分布。

在离子风气流加速装置中，只有当电压、电流满足一定条件才能产生稳定的气流继而产生离子风。理论研究表明电晕放电只有在辉光放电条件下才能在电晕极和集电极之间形成稳定的电流密度，即电流值大于0.5mA/m时才有较大的离子风产生，但电流值达到1A时，将会有火花放电现象产生，从而极间电压迅速下降，此时离子风速极其微弱甚至无离子风。影响离子风气流加速装置的电压和电流的因素除了电极形状、电极材料、电晕电极结构性（正电晕还是负电晕），还包括放电气体所处的实验环境的温度、压强、湿度等，另外，空气中的悬浮的固体颗粒也会影响电压或电流变化。因此，对气流加速装置内部电场特性的研究是离子风速特性的一个方向。两电极间的不同位置的电流密度分布的均匀程度对气流加速装置的转换效率具有明显影响，研究离子风气流加速装置的集电极上的电流密度波形能够对离子风特性进行深入的探讨。

以往的离子风气流加速装置以及其电波密度测试装置，具有如下局限：

a、以往的气流加速装置大多采用线-筒式、线-板式等放电形式，放电能力特别低，产生的风速比较小；

b、将电流密度计直接接到集电极上，测试点不够多，测量不够精确；

c、用指针式电流表来测量某一点的电流值，而电流变化的周期往往小于1/10秒，所以，传统的指针式电流表无法测量电流波形（电流波形是指在同一时刻的各个测试点的电流值形成的波形）；

d、传统的指针式电流表，进行电流测试时容易引起火花放电、电磁干扰，造成电场内的电流瞬间发生变化，对离子风速的稳定性造成影响;

e、传统的测试装置，没有设置保护电路，电流表容易受到电冲击而损坏。