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(lái)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(jī)制和背景電離機(jī)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(jiàn)波段光對(duì)放電的影響。針對(duì)此問(wèn)題，本文首先探究了納

2、秒脈沖激勵(lì)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(jì)研發(fā)出真空放電系統(tǒng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)種子電荷的調(diào)控，深入研究種子電荷及其對(duì)放電重復(fù)性的影響。其次，發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)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(jiàn)波段光對(duì)擊穿延時(shí)影響的作用機(jī)理。最后，利用真空放電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低氣壓條件下氮?dú)狻⒖諝猱a(chǎn)生穩(wěn)定的非熱平衡等離子體，并且通過(guò)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(jī)性轉(zhuǎn)化為可重復(fù)性。得到

3、了以下五點(diǎn)結(jié)論：
　　1）通過(guò)穩(wěn)定后的放電延時(shí)td?的抖動(dòng)定量診斷氦氣等離子體射流隨機(jī)性到重復(fù)性的轉(zhuǎn)化，射流上升沿放電會(huì)由隨機(jī)模式轉(zhuǎn)化為重復(fù)模式，對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)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(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(wú)關(guān)的。最后，研究了不同氣體組分時(shí)，臨界頻率的變化，發(fā)現(xiàn)N2對(duì)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(kuò)散作用的影響，等離子體羽內(nèi)物理化學(xué)過(guò)程較復(fù)雜，無(wú)法準(zhǔn)確地計(jì)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(duì)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(shí)的高度一致性，與推進(jìn)速度無(wú)關(guān)。其次種子電子密度對(duì)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(shí)

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(guò)分析實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(jiàn)波段光能夠有效縮短脈沖激勵(lì)的等離子體射流擊穿延時(shí)。可見(jiàn)波段的單色光（404、532和662nm激光）

6、以及類(lèi)等離子體射流發(fā)射光的窄波段可見(jiàn)光被用來(lái)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(jiàn)光后，擊穿延時(shí)減小。當(dāng)可見(jiàn)光照射在高壓電極附近時(shí)，可見(jiàn)光的作用效果最明顯。另外，可見(jiàn)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(shí)作用效果會(huì)增強(qiáng)?？梢?jiàn)光的作用效果與波長(zhǎng)成反比，即波長(zhǎng)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(shí)，可見(jiàn)光的作用效果會(huì)更顯著?？梢?jiàn)光對(duì)

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(jī)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(jiàn)光的加入提高了氮分子振動(dòng)激發(fā)態(tài)密度。
　　4）利用真空放電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低氣壓條件下N2、O2以及空氣脈沖激勵(lì)產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻低溫等離子體羽。運(yùn)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(zhǎng)介質(zhì)管內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)定的等離子羽與射流類(lèi)似，也是由高速運(yùn)動(dòng)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(guò)調(diào)控電參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的放電需求。氮?dú)庠谔厥獾臍鈮汉碗妳?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?dú)夥烹娭型瑯哟嬖谂c等離子體射流類(lèi)似的隨機(jī)性和重復(fù)性放電模式的轉(zhuǎn)化過(guò)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)