大氣壓非平衡等離子體射流中種子電荷實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大氣壓非平衡等離子體射流(APNP-Js)中種子電荷實(shí)驗(yàn)研究一直是困擾高電壓氣體放電領(lǐng)域或等離子體科學(xué)領(lǐng)域的難題。無(wú)論是傳統(tǒng)的流注理論還是熱門的電離波理論，都認(rèn)為APNP-Js推進(jìn)過(guò)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(dǎo)致種子電荷實(shí)驗(yàn)研究還停留在空白階段，嚴(yán)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(jí)空間分辨率和ns級(jí)時(shí)間分辨率的光譜診斷和高速拍攝技術(shù)，自主設(shè)計(jì)基于

2、帶電粒子漂移和擴(kuò)散原理的種子電荷測(cè)量系統(tǒng)，深入研究種子電荷的產(chǎn)生機(jī)理，探索種子電荷與APNP-Js推進(jìn)高重復(fù)性現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)APNP-Js“蛇形”推進(jìn)和背景電荷誘導(dǎo)第三次放電（外加電壓為零）的新現(xiàn)象。
　　一、針對(duì)種子電荷產(chǎn)生機(jī)制長(zhǎng)期處于理論假設(shè)階段的研究現(xiàn)狀，采用新型診斷系統(tǒng)，對(duì)兩種主要的種子電荷產(chǎn)生機(jī)制（光電離與背景電離）展開(kāi)了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。(1)光電離研究。首先，排除放電電荷和電磁干擾，設(shè)計(jì)fA級(jí)光電流檢測(cè)裝置，首次

3、成功證實(shí)了APNP-Js中存在光電離。其次，為了檢測(cè)光電離過(guò)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(cè)到95 nm和101 nm附近的兩個(gè)氮分子真空紫外譜帶。再者，通過(guò)二維數(shù)值計(jì)算APNP-Js中光電離過(guò)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(duì)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(shè)計(jì)的種子電荷測(cè)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(fù)頻率成線性關(guān)系。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為8 kHz時(shí)，背景種子電荷密度等于或大于3.4×109 cm-3。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率降低至0.2 kHz或更低時(shí)，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(yù)測(cè)：當(dāng)脈沖重復(fù)頻率降低至0.2 kHz左右時(shí)，APNP-Js推進(jìn)現(xiàn)象將出現(xiàn)明顯變化。
　　二、APNP-Js推進(jìn)具備高重復(fù)性是區(qū)別于開(kāi)放空間內(nèi)流注放電的關(guān)鍵特征之一，但人們對(duì)蘊(yùn)含在

5、該現(xiàn)象中的物理機(jī)制知之甚少。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)種子電荷的產(chǎn)生和衰減機(jī)制，本文從脈沖重復(fù)頻率、氣體成分和脈沖放電個(gè)數(shù)三個(gè)方面來(lái)探究APNP-Js推進(jìn)重復(fù)性的內(nèi)在本質(zhì)。(1)與人們普遍認(rèn)為APNP-Js推進(jìn)具有高重復(fù)性的觀念相反，首次發(fā)現(xiàn)在脈沖重復(fù)頻率降低至0.2 kHz或更低時(shí)，APNP-Js推進(jìn)具有明顯的隨機(jī)性。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與種子電荷密度預(yù)測(cè)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(jìn)重復(fù)性中起關(guān)鍵作用。鑒于氣體成分與

6、放電脈沖個(gè)數(shù)是影響背景種子電荷密度的關(guān)鍵參數(shù)，本文研究氣體成分和放電脈沖個(gè)數(shù)對(duì)APNP-Js推進(jìn)重復(fù)性的影響。(2)調(diào)控氣體成分比例，觀測(cè)APNP-Js推進(jìn)重復(fù)性變化。結(jié)果表明：APNP-Js推進(jìn)重復(fù)性嚴(yán)重依賴于氮?dú)夂浚c氧氣含量沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)。(3)發(fā)現(xiàn)隨著脈沖放電個(gè)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(jìn)從具有明顯的隨機(jī)性過(guò)渡到具備高重復(fù)性。診斷和分析認(rèn)為：當(dāng)背

7、景種子電荷密度為109 cm-3或更高時(shí)，APNP-Js推進(jìn)具備高重復(fù)性；當(dāng)背景種子電荷密度降低至等于或小于108cm-3時(shí)，則APNP-Js推進(jìn)具有明顯隨機(jī)性。
　　三、基于種子電荷的APNP-Js推進(jìn)機(jī)制，研制了雙APNP-Js正對(duì)推進(jìn)的新型裝置。通過(guò)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(jìn)和背景電荷誘導(dǎo)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(jìn)，而不是人們通常認(rèn)識(shí)的“APNP-Js呈子彈形狀、直線推進(jìn)”。分析認(rèn)為：該現(xiàn)象是因?yàn)閷恿鬓D(zhuǎn)為湍流時(shí)，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(dāng)兩個(gè)APNP-Js的外加電壓幅值不相同時(shí)，在兩個(gè)APNP-Js中間出現(xiàn)的是第三個(gè)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(gè)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(wú)直接關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步分析認(rèn)為：高密度上下游