粉尘静电加速设备原理及发展现状.docx
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粉尘静电加速设备原理及发展现状
粉尘静电加速设备原理及发展现状
摘要:
微米级空间碎片数量巨大,与航天器的碰撞概率很高,其累积效应会影响航天器的性能。
国外已发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应。
文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展现状进行了介绍,并对该种设备的优缺点进行了分析讨论。
关键词:
微米级空间碎片;地面模拟;加速设备;粉尘静电,粉末涂料
微米级空间碎片主要包含剥落碎片、溅射物、AI203粉尘、微流星体等。
微米级碎片与航天器的碰撞概率很髙,虽然每一次碰撞不一定造成航天器损坏,但它们的累积效应仍然会影响航天器的性能[M]。
其影响主要表现在:
改变航天器表面的性能,降低成像质量;改变辐射、吸收特性;在航天器表面造成撞击坑,损坏航天器表面材料,对表面器件造成损伤。
另外,撞击产生的等离子体云会产生放电、短路、供电失常等效应,造成航天器故障。
超高速撞击地面模拟实验是研究微米级空间碎片撞击效应最直接、最有效的手段。
国外针对微米级碎片地面模拟实验已开展了几十年的研究,其加速方法和测试手段已经相对成熟;而国内针对微米级碎片的研究尚处于初始阶段。
针对微米级空间碎片超高速撞击地面模拟实验,目前国内外主要使用粉尘静电加速[5_13】、激光驱动加速、等离子体加速及电炮加速等几类加速设备。
其中,粉尘静电加速方法在模拟微米级空间碎片尤其是在加速数量庞大的粉尘级碎片上有明显的优势。
2粉尘静电加速原理
1960年,Shelton[5]提出使用静电加速方法
对粉尘粒子进行加速,通过对用于核物理研究的离子源改造设计了第一个粉尘源。
1978年德国Max-Plank研究所设计研制了第一台粉尘静电加速器。
目前国际上己利用静电加速装置开展了大量的粉尘实验,根据需求也研制了一些新的设备。
其中,如何使粉尘源中粒子带电是成功加速微米级粒子的关键技术。
粉尘加速装置包括粉尘粒子源、加速通道、含有粒子挑选器的偏离管以及实验靶室4部分。
图1为德国Max-Plank研究所的粉尘加速装置示意图[6]。
图1德国Max-Plank研究所的粉尘加速装置示意图Fig.1TheschematicdiagramofdustacceleratoratMax-Planck-InstitutfurKemphysikinGermany
粉尘粒子源由钛粉制成,包含粒子贮藏箱和贮藏箱内作为充电电极的钨针、释放板和准直管。
将粉尘装填进jt藏箱内,通过箱内的钨针电极进行充电。
铸针电极与约20kV的恒压源连接,贮藏箱与幅度为10kV的脉冲电压连接。
在库仑斥
力作用下带电粒子开始旋转,击打钨针的尖端部分,通过接地的释放板从贮藏箱内拖拉出去。
带电粒子通过准直管后进入装置的加速单元。
粒子源内部要达到104Pa的真空度,避免高电场强度产生的电火花。
粉尘源的结构原理如图2所示。
图2粉尘粒子源的结构原理图
加速通道对粒子源释放的带电粉尘粒子进行加速。
使用VandeGraaff加速装置可以提供2MV的加速电压。
2MV的电势能差转化为粒子动能,通过能量守恒可以计算带电粒子的最终速度v=」2qUJm,粒子速度主要与其荷质比和加速电压有关。
通过连接的电荷敏感放大器可以测量粒子的速度和电荷,进而根据能量守恒可以计算出粒子的质量和半径。
粒子挑选器根据可调约束条件挑选符合条件的粒子,不符合条件的粒子被电容器板偏置出去。
具体有3种操作模式:
(1)单一模式:
设置了速度和质量范围,每挑选一个粒子即停止;
(2)自动模式:
设置了速度范围;(3)连续模式:
所有粒子都可以通过。
实验靶室内要绝对清洁,以免其他化学成分影响弹丸和靶的材料分析结果。
靶室真空度一般为10、。
串列静电加速器
又称多级静电加速器。
其中最基本的为两级串列加速器。
两级以上如三级和四级串列加速器,不过是由两台两级串列加速器(或由一台两级串列加速器和一台单级静电加速器)组合而成的加速系统。
两级串列加速器装设有两根加速管,公用一个高压电极,带电粒子从加速器地端注入一根加速管被加速一次,进到高压电极内,通过电荷转换装置(对负粒子束采用电子剥离器)粒子带电极性改变,然后进入第二根加速管再次被加速。
从而在同一个电极电压下,粒子两次得到加速,大大提高了粒子的能量。
这种提高静电加速能量的方法,早在20世纪30年代就已提出,直到负离子源和原子的剥离技术取得成功之后,才于1958年建成了世界上第一台加速质子能量为13.4兆电子伏的串列加速器。
由于这种加速器保持了静电加速器的原有特点,又提高了能量,离子源装在加速器地电势处,调节、更换零件都方便,又便于加速多种粒子,所以发展得很快,60年代达到了它的全盛时期。
到1986年时,运行中的串列加速器端电压达5兆伏以上的约有70台。
端电压50兆伏的串列加速器也在研制中。
两级串列加速器的工作原理由图1说明,从负离子源产生负离子束,经过预加速(一般几百千伏)、分析磁铁注入串列加速器的一根加速管,由于加速器的高压电极为正高压,对负离子产生吸引力,粒子朝高压电极方向被加速一次。
当负离子进到高压电极内部时,经过电荷剥离器转变为带有N个电荷单位的正离子(N一般称粒子的电荷态)。
而后,正离子进入第二根加速管中,又受到正高压的排斥力,第二次被加速,经过两次加速,粒子获得的总能量为E=(N+1)eV,
式中E代表粒子的能量,e为电子的电荷,V为加速器端电压。
对于质子N=1,则粒子能量正好对串列加速器端电压的二倍,也就是说质子能量为相同的端电压的单级静电加速器的二倍。
图2a是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的单级静电加速器组成的三级串列加速器。
负离子源装在单级静电加速器的高压电极内,负离子在单级静电加速器内被加速一次,再注入两级串列加速器,完成后两次加速。
图2b是由一台正高压的两级串列加速器和一台负高压的两级串列加速器组成的三级串列加速器,这种方式下离子源可放在加速器外边,处在地电势,采用正离子源,由正离子源产生的正离子束,要通过电荷中和管道变成中性束,注入负高电压电极的两级串列加速器,在第一根加速管不加速。
当粒子到达高压电极内部时,通过添加电子孔道,中性束变成负离子束,在第二根加速管中完成第一次加速,后两次加速由一台正高压电极的两级串列加速器来完成,过程与上面相同。
从机械结构来看,串列加速器有水平式和直立式两种。
随着端电压不断升高,加速结构越来越长。
对水平式的加速器来说,高压电极和加速管的水平支撑越来越困难;而直立式的加速器的厂房建筑也越来越高。
为此发展了一种直立折叠式的结构。
如美国橡树岭国家实验室的端电压25兆伏的加速器。
它的结构像一个倒置的字母U。
从下面注入的离子经一次加速在高压电极内被一个大的偏转磁铁偏置180°后,进入另一根加速管第二次加速。
为了进一步提高粒子的能量,串列加速器常作为注入器,同其他类型的加速器,如扇形聚焦回旋加速器或分离扇回旋加速器串连起来联合运行。
就串列加速器本身的发展来说,人们还在为创造新的端电压记录而努力。
诸如设计新型的加速管和输电系统,研究和改善介质的绝缘性能,改进工艺等等以提高耐高电场的强度。
静电除尘器
静电除尘器的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离,气流中的粉尘荷电在电场作用下与气流分离。
负极由不同断面形状的金属导线制成,叫放电电极。
正极由不同几何形状的金属板制成,叫集尘电极。
静电除尘器的性能受粉尘性质、设备构造和烟气流速等三个因素的影响。
粉尘的比电阻是评价导电性的指标,它对除尘效率有直接的影响。
比电阻过低,尘粒难以保持在集尘电极上,致使其重返气流。
比电阻过高,到达集尘电极的尘粒电荷不易放出,在尘层之间形成电压梯度会产生局部击穿和放电现象。
这些情况都会造成除尘效率下降。
简介
静电除尘器的电源由控制箱、升压变压器和整流器组成。
电源输出的电压高低对除尘效率也有很大影响。
因此,静电除尘器运行电压需保持40一75kV乃至100kV以上。
静电除尘器及其相关部件(11张)
2特点
静电除尘器与其他除尘设备相比,耗能少,除尘效率高,适用于除去烟气中0.01—50μm的粉尘,而且可用于烟气温度高、压力大的场合。
实践表明,处理的烟气量越大,使用静电除尘器的投资和运行费用越经济。
宽间距卧式电除尘器技术
概述
HHD型宽间距卧式电除尘器是该公司引进和借鉴国外先进技术,总结三十年来的设计、制造和应用经验,结合中国各行业工业窑炉废气工况的特点,为适应日趋严格的废气排放要求和WTO市场准则研究开发的科研成果。
该成果已广泛应用在冶金、电力、水泥等行业。
深得全国广大用户信赖,具有较强的市场竞争能力。
最佳宽间距及极板特别配置
使得电场场强、板电流分布更加均匀,驱进速度可提高1.3倍,使捕集粉尘比电阻范围扩大到101-1014Ω-cm,特别适用于硫化床锅炉、新型水泥干法回转窑、篦冷机、烧结机等废气的高比电阻粉尘回收,减缓或消除反电晕现象。
国内首创的整体新型RS电晕线
最高长度可达15米,具有起晕电压低,电晕电流密度大,钢性强,永不破损,具有抗高温、抗热变能力,结合顶部振打方式清灰效果极佳。
根据粉尘浓度大小配置相应的电晕线密度,从而可适应高粉尘浓度的收尘,最高允许入口浓度可达1000g/Nm3。
电晕极顶部强力振打
根据清灰理论设计的顶部放电极强力振打,可采用机械和电磁两种任选方式。
阴阳两极自由悬吊
HHD电收尘器收尘系统和电晕极系统均采用三维悬吊结构,当废气温度过高时,收尘极和电晕极将按三维方向任意膨胀伸展,收尘极系统还特别设计了抗热变钢带约束结构,使得HHD电收尘器具有较高的抗热变能力,经商业运行表明,HHD电收尘器最高耐温可达390℃。
提高振打加速度
改善清灰效果:
收尘极系统清灰好坏直接影响收尘效率,大部分电收器在经过一段时间运行后都表现出效率下降情况,究其根源主要是收尘极板清灰效果差所致,HHD电收尘器利用最新撞击理论和实践结果,改传统扁钢撞击杆结构为整体型钢结构,又将收尘极的侧部振打锤结构删繁就简,使掉锤环节减少2/3,实验表明收尘极板面最小加速度从220G提高到356G。
占地面积小、重量轻
由于放电极系统采用顶部振打设计,且打破常规创造性地将每个电场采用非对称悬吊设计,并利用美国环境设备公司壳体计算机软件优化设计,使得在同样收尘总面积的情况,电收尘器总体长度减少3-5米,重量减轻15%。
高保证绝缘系统
为防止电收尘器[1]的高压绝缘材料结露爬电,壳体采用蓄热双层充气屋顶设计,电加热采用最新PTC、PTS材料,绝缘套管底部采用双曲线反吹清扫设计,彻底杜绝了瓷套管结露爬电的易发故障,且维护、保养、更换极为便利。
匹配L-C高系统
高压控制可采用DSC系统控制,上位机操作,低压控制采用PLC控制,中文触摸屏操作。
高压电源采用恒电流、高阻抗直流电源,匹配HHD电收尘器本体。
可产生高除尘效率、克服高比电阻、处理高浓度的优越功能。
3参数
表1
:
序号技术性能型号规格HHD-30/3/1HHD-35/3/1HHD-40/3/1HHD-45/3/1HHD-50/3/1
1电场有效断面积(m2)3035404550
2室数11111
3电场数33333
4处理废气量(m3/h)75600.88200-126000113400.162000113400.162000126000-180000
5电场风速(m/s)0.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.0
6极板间距(mm)400.400.400.400.400
7通道数1414181618
8电晕极型式RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺
9收尘极型式C480C480C480C480C480
10总有效电晕线长度(m)181421002400.2688.2981
11总收尘面积(m2)17332053.2346.26272914
12最高允许气体温度(℃)<300<300<300<300<300
13最高允许气体压力(Pa)±5000.±5000.±5000.±5000
14阻力损失(Pa)<300<300<300<300<300
15最高允许含尘浓度(g/Nm3)<100<100<100<100<100
16设计除尘效率(%)99.999.999.999.999.9
17高压电源规格(KV/mA)
台数(台)72/400372/300372/400372/400372/5003
18设备本体总重量(t)125.0110.0117.0125.0132.0
表2
序号技术性能型号规格HHD-55/3/1HHD-60/3/1HHD-65/3/1HHD-70/3/1HHD-75/3/1
1电场有效断面积(m2)5560657075
2室数11111
3电场数33333
4处理废气量(m3/h)138600-198000151200-216000163800-234000176400-252000189000-270000
5电场风速(m/s)0.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.0
6极板间距(mm)400.400.400.400.400
7通道数1818202020
8电晕极型式RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺
9收尘极型式C480C480C480C480C480
10总有效电晕线长度(m)33003600390042004500
11总收尘面积(m2)32263519381241794477
12最高允许气体温度(℃)<300.<300.<300.<300.<300
13最高允许气体压力(Pa)±5000.±5000.±5000.±5000.±5000
14阻力损失(Pa)<300<300<300<300<300
15最高允许含尘浓度(g/Nm3)<100.<100.<100.<100.<100
16设计除尘效率(%)99.999.999.999.999.9
17高压电源规格(KV/mA)台数(台)72/500372/600372/600372/600372/7003
18设备本体总重量(t)138.0145.0155.0165.0176.0
表3
序号技术性能型号规格HHD-80/3/1HHD-85/3/1HHD-90/3/1HHD-95/3/1
1电场有效断面积(m2)80859095100
2室数11111
3电场数33333
4处理废气量(m3/h)201600.288000214200-306000.226800-324000239400-342000252000-360000
5电场风速(m/s)0.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.0
6极板间距(mm)400.400.400.400.400
7通道数2222242424
8电晕极型式RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺
9收尘极型式C480C480C480C480C480
10总有效电晕线长度(m)4800.5100.5400.5700.6000
11总收尘面积(m2)47765075.5373.5502.5970
12最高允许气体温度(℃)<300<300<300<300<300
13最高允许气体压力(Pa)±5000.±5000.±5000.±5000.±5000
14阻力损失(Pa)<300<300<300<300<300
15最高允许含尘浓(g/Nm3)<100<100<100<100<100
16设计除尘效率(%)99.999.999.999.999.9
17高压电源规格(KV/mA)台数(台)72/800372/800372/900372/900372/10003
18设备本体总重量(t)188.0197.0206.0218.0230.0
表4
序号技术性能型号规格HHD-105/3/1HHD-110/3/1HHD-118/3/1HHD-125/3/1HHD-90/4/1HHD-240/3/2
1电场有效断面积(m2)105.110.118.125.90.240
2室数111112
3电场数333443
4处理废气量(m3/h)264600-378000277200-396000297360-424800315000.450000194400-226800604800.864000
5电场风速(m/s)0.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.0
6极板间距(mm)400.400.400.400.4003400
7通道数242626262426×2
8电晕极型式RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺RS型芒刺
9收尘极型式C480C480C480C480C480C480
10总有效电晕线长度(m)6000.6600.7080.7500.7200.14400
11总收尘面积(m2)597065677045.7463.7164.14328
12最高允许气体温度
(℃)<300<300<300<300<300<300
13最高允许气体压力(Pa)±5000±5000±5000±5000±5000±5000
14阻力损失(Pa)<300<300<300<300<300<300
15最高允许含尘浓度(g/Nm3)<100<100<100<100<100<100
16设计除尘效率(%)99.999.999.999.999.999.9
17高压电源规格(KV/mA)
台数(台)72/1000
372/1100
372/1100
372/1100
3100/1200
472/1200
6
18设备本体总重量(t)240252.0265.0278.0275.0495.0
4GD型
GD型电除尘器技术引进于日本的原式电除尘器技术,通过消化吸收借鉴国内同行业的成功经验,研发出GD型一系列的电除尘器,广泛用于冶金、冶炼行业。
GD型系列电除尘器除具有其他类型电除尘器阻力小、耗能小、效率高的几大特点外,特具有以下几点:
◆采用独特设计的进风口的气流分布结构。
◆电场内具有三个电极(放电极、集尘极、辅助电极),可以调整电场的极配形式来改变电场状态,以适应不同特性的粉尘处理,达到净化效果。
◆阴阳两极自由悬吊。
◆电晕线:
无论电晕线多长,均由一根钢管构成,中间没有螺栓连接,所以绝无断线的故障发生。
5安装要求
◆对除尘器下部走台基础进行安装前的检查和确定验收按照《电除尘器安装说明书》和设计图纸的要求安装电除尘器各部件,根据确认验收的基础定出电除尘器的中心安装基准,并作为阴阳极系统的安装基准。
◆检查基础上平面的平面度、柱距及对角线误差
◆检查外壳部件,对于运输变形进行矫正,从下至上逐层进行安装,如支座组—底梁(检查合格后安装灰斗、电场内部走台)—立柱及侧壁板—顶梁—进出风口(包括分布板和槽形板)—阴阳极系统—顶部盖板—高压电源等设备。
梯子、平台、栏杆可随安装顺序逐层安装,每层安装完毕都要按照《静电除尘器安装说明书》和设计图纸的要求进行检查和记录:
如平面度、对角线、柱距、垂直度、极距等安装完毕,对设备进行气密性检查,对于漏焊部位进行补焊,检查,对于漏焊部位进行补焊。
静电除尘器外购常用设备
1.阳极板
2.阴极线
3.振打减速机
4.阴阳极振打装置
5.料位计
7.仓壁振动器
8.高压电源及控制系统
9.低压控制系统
粒子加速器工作原理
在20世纪早期,人们发现了原子的结构,之后人们了解到原子是由更小的亚原子粒子组成的——特别是质子、中子和电子。
但是,在20世纪后半期使用原子粉碎机或粒子加速器进行的实验发现原子的亚原子结构非常复杂。
粒子加速器可以提取一个粒子,如电子,将粒子的运动速度加快到接近光速,然后使其与原子碰撞,从而能够发现其内部的组成部分。
布鲁克海文国家实验室供图
两束金原子在相对论重离子对撞机中碰撞后的端视图
在本文中,我们将了解这些神奇的设备以及利用这些设备得到的结果是如何向我们揭示物质的基本结构、聚合力以及宇宙的起源的!
在20世纪30年代,科学家对宇宙射线进行了研究。
当这些高能量的粒子(质子)从外层空间撞击铅原子(也就是原子核)时,会喷射出许多更小的粒子。
这些粒子不是质子或中子,而是比它们更小。
因此,科学家推断核子肯定是由更多、更小的基本粒子组成。
此后人们便开始了对这些粒子的探索。
布鲁克海文国家实验室供图
两束金原子在相对论重离子对撞机中碰撞后的侧视图
当时,要用高能量的粒子碰撞原子,只能到山顶上进行实验,因为只有在山顶上才容易找到宇宙射线。
但是,物理学家很快设计出了称为“粒子加速器”或“原子粉碎机”的设备。
在这些设备中加速粒子,当其达到非常高的速度(高动能),然后用它们撞击目标原子。
之后对撞击产生的粒子以及放射物进行检测和分析,这样得到的信息就可以告诉我们有关构成原子的粒子以及原子聚合力的情况。
自从帝国大厦对电视的研究尘埃落定后,粒子加速器实验一直被描述为是通过观察粒子来确定电视的结构的。
您是否知道其实在您的家里已经有了一种粒子加速器?
事实上,您可能正在使用一种粒子加速器阅读文章!
任一电视机或计算机显示器的阴极射线管(CRT)实际上就是一种粒子加速器。
CRT从阴极提取粒子(电子),对它们进行加速并且用电磁体在真空中改变它们的方向,使它们撞击到屏幕上的荧光分子,这种碰撞会在电视机或计算机显示器上产生亮点或像素。
粒子加速器的原理是相同的,只不过它们更大,粒子运动更快(接近光速),碰撞会产生更多的亚原子粒子和各种核辐射。
粒子会通过设备内部的电磁波加速,这与冲浪运动员借助波浪获得推动力非常相象。
粒子获得的能量越多,就越有利于我们看到物质的结构。
这就像台球游戏中开球一样,当母球(赋能粒子)加速时,它会获得更多能量,因此能更好地击散球堆(释放出更多粒子)。
粒子加速器基本上有两种:
直线型——料子沿长直轨道行进,撞击目标。
回旋型——粒子一直作循环运动,直到撞击目标。
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- 关 键 词:
- 粉尘 静电 加速 设备 原理 发展 现状