非熱平衡態(tài)等離子體射流種子電荷與放電重復(fù)性研究.pdf

1、近年來大氣壓低溫等離子體射流受到氣體放電領(lǐng)域的極大關(guān)注，作為一種新型大氣壓放電技術(shù)，展現(xiàn)出諸多區(qū)別傳統(tǒng)流注放電的特性，尤其是其高度的可重復(fù)性。流注理論和電離波理論認(rèn)為種子電荷是放電發(fā)生的決定性因素，但是放電擊穿前的種子電荷密度低且易受外界干擾，關(guān)于種子電荷在放電中的作用缺乏定量的研究。光電離機制和背景電離機制都可以為放電提供種子電荷，光電離研究大都集中于紫外和深紫外波段，鮮少有文章討論可見波段光對放電的影響。針對此問題，本文首先探究了納

2、秒脈沖激勵等離子體射流的高度可重復(fù)性，結(jié)合射流放電特性設(shè)計研發(fā)出真空放電系統(tǒng)，實現(xiàn)氣體成分的精確調(diào)控，探究調(diào)節(jié)電源頻率和改變氧濃度實現(xiàn)對種子電荷的調(diào)控，深入研究種子電荷及其對放電重復(fù)性的影響。其次，發(fā)現(xiàn)可見光能夠有效地促進(jìn)放電擊穿的發(fā)生，并且深入研究了可見波段光對擊穿延時影響的作用機理。最后，利用真空放電系統(tǒng)實現(xiàn)了低氣壓條件下氮氣、空氣產(chǎn)生穩(wěn)定的非熱平衡等離子體，并且通過調(diào)節(jié)頻率調(diào)控種子電荷密度，發(fā)現(xiàn)放電模式從隨機性轉(zhuǎn)化為可重復(fù)性。得到

3、了以下五點結(jié)論：
　　1）通過穩(wěn)定后的放電延時td?的抖動定量診斷氦氣等離子體射流隨機性到重復(fù)性的轉(zhuǎn)化，射流上升沿放電會由隨機模式轉(zhuǎn)化為重復(fù)模式，對應(yīng)的頻率稱之為臨界頻率fcri。研究了氦氣射流臨界頻率與電壓幅值、脈寬、氣體流速的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在實驗條件下，其臨界頻率受電壓幅值、脈寬和氣體流速的影響較小。研究了三種常見放電裝置的臨界頻率，發(fā)現(xiàn)其臨界頻率與放電裝置也是無關(guān)的。最后，研究了不同氣體組分時，臨界頻率的變化，發(fā)現(xiàn)N2對臨界頻率

4、的影響較大，隨著N2濃度的提高，臨界頻率增大。但是由于空氣擴散作用的影響，等離子體羽內(nèi)物理化學(xué)過程較復(fù)雜，無法準(zhǔn)確地計算種子電荷的衰變情況。
　　2）利用真空放電系統(tǒng)定量研究種子電子密度對氦氣等離子體射流重復(fù)性的影響。首先，確定了等離子體射流推進(jìn)可重復(fù)性體現(xiàn)為放電延時的高度一致性，與推進(jìn)速度無關(guān)。其次種子電子密度對等離子體羽推進(jìn)重復(fù)性有重要的影響，并且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，種子電子密度與外施電壓以及放電氣體成分有重要的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)擊穿延時

5、與外加電壓的頻率以及工作氣體中氧含量密切相關(guān)。通過分析實驗結(jié)果得出，2×104Pa氣壓條件下等離子體子彈可重復(fù)推進(jìn)模式需要的最低種子電子密度為108cm-3；當(dāng)氣壓為4×103Pa時，需要的最低種子電子密度為107cm-3。進(jìn)一步的分析，大氣壓條件下，等離子體子彈以可重復(fù)模式推進(jìn)需要的種子電子密度閾值為109cm-3。
　　3）可見波段光能夠有效縮短脈沖激勵的等離子體射流擊穿延時?？梢姴ǘ蔚膯紊猓?04、532和662nm激光）

6、以及類等離子體射流發(fā)射光的窄波段可見光被用來預(yù)電離氣體。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在放電氣體上施加窄波段可見光后，擊穿延時減小。當(dāng)可見光照射在高壓電極附近時，可見光的作用效果最明顯。另外，可見光的作用效果與放電管的材料以及尺寸密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)選擇石英管和較大的放電管內(nèi)徑時作用效果會增強?？梢姽獾淖饔眯Чc波長成反比，即波長越大，作用效果越弱。并且作用效果與外加電壓具有協(xié)同作用的效果，當(dāng)外加電壓的頻率和脈寬增大時，可見光的作用效果會更顯著。可見光對

7、擊穿促進(jìn)作用歸因于其能夠促進(jìn)自由電子的產(chǎn)生，產(chǎn)生機制一方面有可能是光激外電子發(fā)射效應(yīng)，另一方面有可能是可見光的加入提高了氮分子振動激發(fā)態(tài)密度。
　　4）利用真空放電系統(tǒng)實現(xiàn)了低氣壓條件下N2、O2以及空氣脈沖激勵產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻低溫等離子體羽。運用等離子體射流常用的診斷手段，研究了其放電特性，得到的主要結(jié)論總結(jié)如下：低氣壓條件下N2、O2以及空氣在長介質(zhì)管內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)定的等離子羽與射流類似，也是由高速運動的“子彈”推進(jìn)形成；且子彈速度

8、受電壓幅值、頻率以及脈寬的影響，可以通過調(diào)控電參數(shù)實現(xiàn)不同的放電需求。氮氣在特殊的氣壓和電參數(shù)條件協(xié)同作用下，出現(xiàn)特殊的螺旋放電現(xiàn)象，螺紋的穩(wěn)定性與電壓參數(shù)以及氧濃度有關(guān)。
　　5）經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)電源重復(fù)頻率，低氣壓氮氣放電中同樣存在與等離子體射流類似的隨機性和重復(fù)性放電模式的轉(zhuǎn)化過程，由此得出低氣壓條件下的空氣放電背景電離的作用，為傳統(tǒng)的流注放電提供參考。當(dāng)背景電離度高的情況下，流注放電也能呈現(xiàn)出高度的可重復(fù)性，傳統(tǒng)的流注放電認(rèn)