大氣壓非平衡等離子體射流中種子電荷實驗研究.pdf

1、大氣壓非平衡等離子體射流(APNP-Js)中種子電荷實驗研究一直是困擾高電壓氣體放電領域或等離子體科學領域的難題。無論是傳統(tǒng)的流注理論還是熱門的電離波理論，都認為APNP-Js推進過程中種子電荷是必不可少的。然而，由于種子電荷密度低、衰減快、干擾因素多，導致種子電荷實驗研究還停留在空白階段，嚴重制約了流注理論和電離波理論的突破和完善。為了克服這一難題，本論文采用具有μm級空間分辨率和ns級時間分辨率的光譜診斷和高速拍攝技術(shù)，自主設計基于

2、帶電粒子漂移和擴散原理的種子電荷測量系統(tǒng)，深入研究種子電荷的產(chǎn)生機理，探索種子電荷與APNP-Js推進高重復性現(xiàn)象的關聯(lián)機制，發(fā)現(xiàn)APNP-Js“蛇形”推進和背景電荷誘導第三次放電（外加電壓為零）的新現(xiàn)象。
　　一、針對種子電荷產(chǎn)生機制長期處于理論假設階段的研究現(xiàn)狀，采用新型診斷系統(tǒng)，對兩種主要的種子電荷產(chǎn)生機制（光電離與背景電離）展開了系統(tǒng)的實驗研究。(1)光電離研究。首先，排除放電電荷和電磁干擾，設計fA級光電流檢測裝置，首次

3、成功證實了APNP-Js中存在光電離。其次，為了檢測光電離過程中高能輻射光子，結(jié)合光譜診斷和高速拍攝技術(shù)，大幅度提高信噪比，第一次檢測到95 nm和101 nm附近的兩個氮分子真空紫外譜帶。再者，通過二維數(shù)值計算APNP-Js中光電離過程，獲得光電離產(chǎn)生的種子電荷密度為~108 cm-3。最后，研究光電離對APNP-Js的影響，發(fā)現(xiàn)光電離能夠大幅度加快APNP-Js的產(chǎn)生。(2)背景電離研究。采用自主設計的種子電荷測量系統(tǒng)，定量診斷AP

4、NP-Js中背景種子電荷密度。發(fā)現(xiàn)背景種子電荷密度與脈沖重復頻率成線性關系。當脈沖重復頻率為8 kHz時，背景種子電荷密度等于或大于3.4×109 cm-3。當脈沖重復頻率降低至0.2 kHz或更低時，背景種子電荷密度接近光電離產(chǎn)生的種子電荷密度。據(jù)此預測：當脈沖重復頻率降低至0.2 kHz左右時，APNP-Js推進現(xiàn)象將出現(xiàn)明顯變化。
　　二、APNP-Js推進具備高重復性是區(qū)別于開放空間內(nèi)流注放電的關鍵特征之一，但人們對蘊含在

5、該現(xiàn)象中的物理機制知之甚少。針對這個問題，根據(jù)種子電荷的產(chǎn)生和衰減機制，本文從脈沖重復頻率、氣體成分和脈沖放電個數(shù)三個方面來探究APNP-Js推進重復性的內(nèi)在本質(zhì)。(1)與人們普遍認為APNP-Js推進具有高重復性的觀念相反，首次發(fā)現(xiàn)在脈沖重復頻率降低至0.2 kHz或更低時，APNP-Js推進具有明顯的隨機性。該實驗結(jié)果與種子電荷密度預測現(xiàn)象十分吻合。據(jù)此，首次提出背景種子電荷密度在APNP-Js推進重復性中起關鍵作用。鑒于氣體成分與

6、放電脈沖個數(shù)是影響背景種子電荷密度的關鍵參數(shù)，本文研究氣體成分和放電脈沖個數(shù)對APNP-Js推進重復性的影響。(2)調(diào)控氣體成分比例，觀測APNP-Js推進重復性變化。結(jié)果表明：APNP-Js推進重復性嚴重依賴于氮氣含量，而與氧氣含量沒有明顯關聯(lián)。(3)發(fā)現(xiàn)隨著脈沖放電個數(shù)從1增加至100以上，背景種子電荷密度從自然輻射密度(102~104 cm-3)逐漸升高，APNP-Js推進從具有明顯的隨機性過渡到具備高重復性。診斷和分析認為：當背

7、景種子電荷密度為109 cm-3或更高時，APNP-Js推進具備高重復性；當背景種子電荷密度降低至等于或小于108cm-3時，則APNP-Js推進具有明顯隨機性。
　　三、基于種子電荷的APNP-Js推進機制，研制了雙APNP-Js正對推進的新型裝置。通過控制氣流狀態(tài)和外加脈沖電壓參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了APNP-Js“蛇形”推進和背景電荷誘導第三次放電（外加電壓為零）的新現(xiàn)象。(1)調(diào)節(jié)管內(nèi)氣流狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)湍流狀態(tài)下APNP-Js是呈“蛇形”

8、彎曲推進，而不是人們通常認識的“APNP-Js呈子彈形狀、直線推進”。分析認為：該現(xiàn)象是因為層流轉(zhuǎn)為湍流時，管內(nèi)背景種子電荷密度分布變得不均勻?qū)е碌摹?2)調(diào)節(jié)外加脈沖電壓參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當兩個APNP-Js的外加電壓幅值不相同時，在兩個APNP-Js中間出現(xiàn)的是第三個APNP-J，而不是暗區(qū)（外加脈沖電壓幅值相同）。高速拍攝結(jié)果表明第三個APNP-J是產(chǎn)生在脈沖電壓降為零后300 ns，與外加脈沖電壓無直接關聯(lián)。進一步分析認為：高密度上下游