本发明专利技术公开了一种低功率空心阴极微等离子体的点火方法及点火装置。该装置由微型高压转换单元和微型等离子体发生单元两部分构成，其中，微型高压转换单元实现低压直流输入转换为高压直流、交流或脉冲输出；微等离子发生单元采用上下两片电极以及中间的绝缘介质组成的三明治结构，其上有一个或者多个贯穿电极以及绝缘介质的孔洞作为等离子体发生区域。该装置是利用微型高压转换单元将低电压直流启动信号转换为高电压输出，高电压驱动等离子体发生单元产生空气非平衡等离子体，进而点燃嵌入微孔的含能药柱或者黏附于微孔上方的含能薄膜实现点火。该装置具有高安全可靠性、低发火功率以及可多次点火的特点。功率以及可多次点火的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种低功率空心阴极微等离子体的点火装置及点火方法
[0001]本专利技术属于火工品点火领域，更具体地，涉及一种低功率空心阴极微等离子体的点火装置及点火方法。
技术介绍
[0002]火工品是在接收控制信息后，以较小能量激发火工药剂发生燃烧或爆炸，用于火药引燃、炸药引爆、做机械功或产生特种效应的元器件、装置和系统的总称。作为初始发火源，点火装置是连接命令下达与目标实现的桥梁，其能否可靠作用直接关系到火工品及后续系统能否正常引燃或引爆。
[0003]气体放电等离子体为点火提供了一种新的途径。气体放电通过对气体施加高压，使气体发生击穿放电产生等离子体。在强电场的作用下，电子漂移运动显著强于其他粒子，这使得电子温度很高，比如电子能量可达1eV以上(1eV相当于11600K)，并且其中存在大量活性氮氧粒子(如N原子、O原子、OH分子、NO分子等)充当助燃剂，因而在点火方面具有独特优势。
[0004]当前，国内现有的点火装置仍然以敏感桥丝为主，其结构强度低、散热性能差、抗电磁能力弱、安全电流低、与数字逻辑电路的集成难度大，严重限制了我国微型智能武器及航空航天技术的进一步发展。部分新型点火装置如半导体桥、爆炸箔等，尚未广泛投入使用，其中半导体桥主要通过热致电离多晶硅桥发火，而爆炸箔则通过热致电离桥箔产生等离子体，冲击飞片点火。上述点火装置基于热致电离产生等离子体而非气体放电，因而与本专利技术有显著的不同。
[0005]通过对等离子体高能电子以及高活性氮氧粒子密度进行调控，可以使其适用于不同感度含能药剂的发火要求。当前，国内火工品仍以第二代敏感桥火工品为主，安全性差；常规第三代半导体桥火工品能够满足1A1W5min不发火的A类钝感要求；而爆炸箔火工品能够满足500V不发火的B类钝感要求。因此，上述点火装置的只能适用于特定范围，而基于气体放电微等离子体点火技术，可通过改变输出电压及放电结构，实现对等离子体电子密度、电子温度以及活性粒子密度等特征参数的高效调控，从而实现特定钝感含能药剂的可靠点火。
[0006]在现有的等离子体点火技术中，如专利CN13796163A所述的等离子体点火方法和等离子体生成装置实际上是生成等离子体的方法和装置，同时其所述工作气体并非空气。专利CN214675822U提供了一种微波等离子体点火装置，但其采用微波等离子体，与本专利技术有明显差异，此外，其工作气体以及具体应用方向不清晰，并不属于本专利技术所述的火工品点火领域。专利CN214674348U提供了一种等离子体点火电源系统，但其同样是生成等离子体的方法，并且需要依靠强磁场控制，与本专利技术又有显著的不同。总之，上述等离子点火技术主要还是指等离子体的产生方法，而非利用等离子体去引燃或引爆含能药剂。专利CN110475309A介绍了一种可编程等离子体点活塞，主要用于内燃机的点火源，但其工作电压达几十千伏，并且工作气体则是空气与燃料(如汽油)的混合物，即通过将含能分子直接
转化为等离子体的形式，这与本专利技术也有显著的不同。
技术实现思路
[0007]针对现有点火技术的局限，本专利技术的目的在于设计一种新型点火装置，实现诸如常规起爆药及敏感炸药的可靠点火，并且，所述点火装置具有点火性能可调，结构简单，输入功率低等优点。
[0008]为了实现上述目的，提供了一种低功率空心阴极微等离子体的点火装置及点火方法。包括微型高压转换单元和微等离子体发生单元。其中微等离子体发生单元的输入端与微型高压转换单元的输出端相连。
[0009]针对本专利技术的基于空心阴极等离子体放电的点火装置，其核心点火机制是：
[0010]依靠微型高压转换单元，通过对空气施加瞬态高电压，使气体放电，从而产生非平衡等离子体，依靠等离子体中产生的高能电子轰击含能药剂传递能量，同时依靠等离子体中的活性氮氧粒子为含能药剂提供高活性氧化剂，依靠上述等离子体中关键成分的协同作用实现含能药剂点火。
[0011]进一步地，微型高压转换单元，包含一个整流电路和一个升压电路，其整体外形可为圆柱体或长方体，所述圆柱体的直径≥3cm，高度≥10cm；所述长方体的长和宽≥3cm，高度≥10cm。
[0012]进一步地，微型高压转换单元的驱动电压为直流形式，所述输入电压幅值在1.5V
‑
12V。
[0013]进一步地，微型高压转换单元的输出电压，电压波形可以为直流、交流以及脉冲等形式。
[0014]进一步地，直流电压幅值在1kV
‑
30kV；所述交流电压的峰峰值在1kV
‑
30kV，频率为50Hz
‑
300MHz；所述脉冲电压幅值在1kV
‑
30kV，上升沿：≥100μs，频率为50Hz
‑
300MHz。
[0015]微型等离子体发生单元为空心阴极结构，采用上下两片金属电极以及中间的绝缘介质组成的三明治结构，其上有一个或者多个贯穿电极以及绝缘介质的孔洞。
[0016]进一步地，金属电极材料可以为铜、银、铝、钨、铂等材料，介质材料可以SiO2等无机非金属材料、Al2O3等金属氧化物材料以及包括PCB基材等有机非金属材料等。
[0017]进一步地，两个电极之间的距离≥1mm，电极上的微孔的直径≥2mm；介质层的微孔直径≥10mm。
[0018]等离子体发生单元经过在电极两端施加高电压后，使微孔中的气体发生击穿放电产生等离子体。优选的，所述典型工作气体为空气。因此，对应的等离子体为空气等离子体。
[0019]进一步地，微等离子体是指某一维度上小于1mm的等离子体。
[0020]进一步地，通过改变转换单元电压输出及发生单元的电极间距，可对等离子体如下特征参数进行调控：(1)峰值电子温度：1eV
‑
10eV。(2)电子和离子密度可调范围在10
12
/cm3‑
10
16
/cm3。(3)典型活性氮氧粒子≤10
12
/cm3，包括氮离子(N
2+
),氧离子(O
2+
),氮原子(N)、氧原子(O)、臭氧(O3)等。
[0021]本专利技术的基于空心阴极放电的点火装置工作原理是：
[0022](1)将含能药剂装入等离子体发生区域。
[0023](2)将电极与高压电源输出端相连。
[0024](3)开启电源，由微型高压转换单元产生高压输入到微型等离子体发生单元，在电极间形成瞬态高压，并在放电区域产生等离子体。
[0025](4)微等离子体作用含能药剂，实现点火。
[0026](5)如需更换含能药剂，则重复(1)
‑
(4)操作。
[0027]综上，本专利技术的空气微等离子体具有如下特点：
[0028](1)非平衡输出特性：由于高电压作用下的强电场，使得电能优先传输给电子，因而导致等离子体具有显著的非平衡特性，电子温度远高于气体温度。
[0029](2)电本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种低功率空心阴极微等离子体的点火装置，其特征在于，包括：微型高压转换单元，微型等离子体发生单元；所述微型等离子体发生单元，采用上下两片电极以及中间的绝缘介质组成的三明治结构，其上有一个或者多个贯穿电极以及绝缘介质的孔洞作为等离子体发生区域；所述的两个电极之间的距离≥1mm，电极微孔直径≥1mm；其中，微等离子体发生单元的输入端与微型高压转换单元的输出端相连。2.根据权利要求1所述低功率空心阴极微等离子体的点火装置，其特征在于，所述微型高压转换单元包含一个整流电路和一个升压电路，其整体外形为圆柱体或长方体，所述圆柱体的直径≥3cm，高度≥10cm；所述长方体的长和宽≥3cm，高度≥10cm；能够将输入端的电压升至1kV
‑
30kV后输出，其输入直流电压信号≥12V，电流≥3A，输出电压可为高压直流、交流以及脉冲形式，总功率≥36W。3.根据权利要求1所述低功率空心阴极微等离子体的点火装置，其特征在于，所述微型等离子体发生单元电极材料为铜、银、铝、钨、铂材料，所述介质材料可以为SiO2无机非金属材料、Al2O3金属氧化物材料以及包括PCB基材有机非金属材料；电极以及绝缘介质的形状为圆形，厚度≥1mm，直径为0.5mm
‑
10mm，且电极材料的直径≥绝缘介质材料的直径。4.一种低功率空心阴极微等离子体的点火方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将含能药剂装入等离子体发生区域；S2.向微型高压转换单元输入低电压高电流的启动信号；S3.微型高压转换单元将低电压直流启动信号转换为高电压输出；S4.高电压驱动等离子体发生单元产生空气非平衡等离子体，进而点燃嵌入微孔的含能药柱或者黏附于微孔上方的含能薄膜实现点火；S5.如需更换含能药剂，则重复S1...
【专利技术属性】
技术研发人员：张文超，程鹤，雷孝廷，俞春培，石伟，徐建勇，宋长坤，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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