非熱平衡態(tài)等離子體射流種子電荷與放電重復性研究.pdf

1、近年來大氣壓低溫等離子體射流受到氣體放電領域的極大關注，作為一種新型大氣壓放電技術，展現出諸多區(qū)別傳統(tǒng)流注放電的特性，尤其是其高度的可重復性。流注理論和電離波理論認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性，結合射流放電特性設計研發(fā)出真空放電系統(tǒng)，實現氣體成分的精確調控，探究調節(jié)電源頻率和改變氧濃度實現對種子電荷的調控，深入研究種子電荷及其對放電重復性的影響。其次，發(fā)現可見光能夠有效地促進放電擊穿的發(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)實現了低氣壓條件下氮氣、空氣產生穩(wěn)定的非熱平衡等離子體，并且通過調節(jié)頻率調控種子電荷密度，發(fā)現放電模式從隨機性轉化為可重復性。得到

3、了以下五點結論：
　　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性的轉化，射流上升沿放電會由隨機模式轉化為重復模式，對應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、氣體流速的關系，發(fā)現在實驗條件下，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)現其臨界頻率與放電裝置也是無關的。最后，研究了不同氣體組分時，臨界頻率的變化，發(fā)現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，等離子體羽內物理化學過程較復雜，無法準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性的影響。首先，確定了等離子體射流推進可重復性體現為放電延時的高度一致性，與推進速度無關。其次種子電子密度對等離子體羽推進重復性有重要的影響，并且經研究發(fā)現，種子電子密度與外施電壓以及放電氣體成分有重要的關系。研究發(fā)現擊穿延時

5、與外加電壓的頻率以及工作氣體中氧含量密切相關。通過分析實驗結果得出，2×104Pa氣壓條件下等離子體子彈可重復推進模式需要的最低種子電子密度為108cm-3；當氣壓為4×103Pa時，需要的最低種子電子密度為107cm-3。進一步的分析，大氣壓條件下，等離子體子彈以可重復模式推進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電離氣體。研究發(fā)現，當在放電氣體上施加窄波段可見光后，擊穿延時減小。當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，研究發(fā)現當選擇石英管和較大的放電管內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、擊穿促進作用歸因于其能夠促進自由電子的產生，產生機制一方面有可能是光激外電子發(fā)射效應，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)實現了低氣壓條件下N2、O2以及空氣脈沖激勵產生穩(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，得到的主要結論總結如下：低氣壓條件下N2、O2以及空氣在長介質管內產生的穩(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，可以通過調控電參數實現不同的放電需求。氮氣在特殊的氣壓和電參數條件協(xié)同作用下，出現特殊的螺旋放電現象，螺紋的穩(wěn)定性與電壓參數以及氧濃度有關。
　　5）經研究發(fā)現調節(jié)電源重復頻率，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性放電模式的轉化過程，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。當背景電離度高的情況下，流注放電也能呈現出高度的可重復性，傳統(tǒng)的流注放電認