雙環(huán)狀電極大氣壓等離子體射流的時間分辨診斷1)

張瀟漫 , 吳雪梅 ,,

* (蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇蘇州 215006)

? (蘇州大學(xué)江蘇省薄膜材料重點實驗室,江蘇蘇州 215006)

引言

大氣壓等離子體(atmospheric pressure plasma,APP)是一種在常壓環(huán)境下產(chǎn)生的等離子體,APP 的放電技術(shù)與應(yīng)用在近十年中得到了飛速的發(fā)展.目前,APP 的應(yīng)用涵蓋了大量領(lǐng)域,例如治療創(chuàng)傷、調(diào)控細胞生長與凋亡的生物醫(yī)學(xué)方面[1-3]、增強表面潤濕性,增加涂層附著力、提高涂層的耐磨性和耐腐蝕性的材料表面改性方面[4-6]、處理污染物及醫(yī)療廢物方面[7-8]、材料表面清洗與消毒方面[9-10]及特殊的化學(xué)合成[11-12]等方面.

在探索APP 未來的應(yīng)用與研究分析其相關(guān)性質(zhì)的過程中,等離子體診斷可以幫助我們更好地了解等離子體,從而優(yōu)化整個應(yīng)用過程.因此,探索一種細致、全面的等離子體診斷顯得尤為重要.目前,關(guān)于APP 的診斷大多從光學(xué)方法入手,例如發(fā)射光譜[13-15]、吸收光譜[16]、激光散射[17-19]、湯姆遜散射[20]、激光誘導(dǎo)熒光[21-22]、紋影成像[23-24]、ICCD相機采集[25-26]等方法.每種方法都具有鮮明的特點,所診斷的目標(biāo)也不相同.當(dāng)需要對等離子體演化過程進行研究或需要探索等離子體變化規(guī)律時,采用ICCD 相機采集法是極佳的選擇,這種方法的優(yōu)點在于: (1) 高時間分辨率: ICCD 相機能夠拍攝納秒甚至皮秒量級的照片,超高時間分辨率能夠獲取詳細的等離子體放電過程,完成準(zhǔn)確的瞬態(tài)現(xiàn)象研究;(2) 高靈敏度: ICCD 相機帶有光信號增強器件,即使微弱的光信號也能捕捉,這就意味著能發(fā)現(xiàn)等離子體放電過程中更多微弱的細節(jié);(3) 高增益: ICCD 相機的光信號增強器能夠?qū)崿F(xiàn)幾百乃至幾千倍的放大作用,搭配前端相機鏡頭更可拍攝較遠距離的放電現(xiàn)象,擁有很強的靈活性.而這種方法的缺點在于:(1) 成本較高: ICCD 相機價格昂貴;(2) 操作復(fù)雜: 儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,軟件操作復(fù)雜,通常還需要搭配其他儀器共同使用;(3) 放大信號會導(dǎo)致照片失真: ICCD 相機的光信號增強器同樣會放大實驗環(huán)境的噪聲信號,過高的放大倍率會導(dǎo)致信噪比降低,進而影響圖像的質(zhì)量.

目前,關(guān)于ICCD 相機采集法在等離子體射流方面的診斷,主要針對于小管徑的脈沖等離子體射流,其中之一的優(yōu)勢在于,可以將電源輸出的脈沖信號直接作為ICCD 相機的外部觸發(fā)信號,為相機提供精確的拍攝時刻.例如,Lu 等[27]采用亞微秒高壓脈沖等離子體射放電,并捕捉了等離子體放電的行為,脈沖放電參數(shù)為外加電壓5 kV、脈寬500 ns、頻率1 kHz,根據(jù)測得電壓-電流波形特性與采集到的照片顯示,電壓脈沖引發(fā)了三個連續(xù)的電流脈沖,第一個電流脈沖與第一次放電的啟動相關(guān),第二個電流脈沖與等離子體射流的發(fā)射相關(guān),第三個電流脈沖與在電介質(zhì)表面積累的電荷積累引發(fā)的放電相關(guān),觀測到的等離子體射流實際上是一種子彈狀的等離子體,這種“等離子體子彈”只能在第二個電流脈沖出現(xiàn)后才能觀察到,大致行為是在離開射流管后運動開始加速,并在一段時間后達到最大速度,然后速度迅速直至消散,其運動速度在105m/s 的量級,根據(jù)計算結(jié)果,推測出等離子體射流在低外部電場下可以自行傳播,無需外部電場的幫助.Xiong 等[28]利用脈沖電源激發(fā)等離子體,并通過ICCD 相機來觀測等離子體射流的發(fā)射行為,不同的是分別利用正脈沖和負脈沖單獨激發(fā)等離子體來對比實驗結(jié)果,其中正、負脈沖寬度均固定為800 ns,頻率為8 kHz,電壓幅值分別為 ±8 kV,研究發(fā)現(xiàn),在等離子體射流噴出管口之前,正、負脈沖激發(fā)的等離子體傳播速度相差并不大,均在30 km/s 上下,等離子體一旦噴出管口,傳播速度顯著增加,且正脈沖激發(fā)的等離子體的傳播速度遠高于負脈沖,數(shù)值分別約為150 km/s 和70 km/s,結(jié)合發(fā)射光譜分析,等離子體從管口噴出后的加速行為,是由于其中濃度的增加導(dǎo)致.Douat 等[29]將兩支等離子體射流相對擺放,并通過ICCD 相機研究了產(chǎn)生的等離子體的行為,工作氣體(He) 僅通過一個射流源供給,研究發(fā)現(xiàn)“等離子體子彈”一旦離開各自的射流管,就會發(fā)生相互作用,導(dǎo)致其速度降低.子彈實際上并沒有相遇,而是以最小的距離相互接近,接近的位置并不是在兩支射流的中間,而是由操作條件決定的,還發(fā)現(xiàn)在接近區(qū)域中出現(xiàn)了“二次”放電,呈現(xiàn)粉紅色的輝光,這一過程與測量到的電流反轉(zhuǎn)完全同步.

本工作中同樣采用ICCD 相機采集法,對雙環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)等離子體射流進行時間分辨診斷,與以往工作相比,不同之處在于,等離子體射流由高頻高壓交流電源激發(fā),實驗中通過數(shù)字脈沖發(fā)生器,解決了交流電源沒有脈沖觸發(fā)信號的問題,最后,通過ICCD 相機,準(zhǔn)確地獲得了一個完整的等離子體放電周期中,不同時間節(jié)點的納秒級照片.根據(jù)采集的照片中展示出的不同現(xiàn)象,可以對等離子體射流演化過程進行全面、立體的分析,同時,可以幫助我們進一步認識到等離子體的性質(zhì)和特性.而在等離子體應(yīng)用方面,了解等離子體放電行為可以優(yōu)化對等離子體的控制、改進等離子體應(yīng)用設(shè)備的性能、提高工藝效率和產(chǎn)品質(zhì)量,因此,本工作對于推動等離子體科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展具有重要意義.

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置介紹

雙環(huán)狀電極等離子體射流裝置及時間分辨診斷系統(tǒng)如下圖1 所示.裝置的主體部分由一根外徑為6 mm (厚度為1 mm) 的長石英管組成,石英管上包裹有兩個寬度為10 mm 的電極,每個電極結(jié)構(gòu)相同,可分為內(nèi)外兩層,內(nèi)層材料為銅箔膠帶,將其緊密纏繞在石英管上,外層材料為不銹鋼帶,固定在銅箔外側(cè),防止長時間使用后銅箔被氧化.在實驗中,上方電極連接高壓電源,下方電極連接地電極,并在電極的中間添加一個寬度20 mm 的聚四氟乙烯(PTFE)管,防止電極打火,而在石英管的底部,安裝了一個5 mm 寬的陶瓷噴嘴.這種裝置采用介質(zhì)阻擋放電(DBD) 的形式,即石英管存在于電極和等離子體的中間,這樣的設(shè)計存在以下優(yōu)勢: (1) 石英管介質(zhì)可防止電極濺射污染等離子體;(2) 石英管介質(zhì)可以限制放電電流,防止等離子體產(chǎn)生過高的溫度.

此外,本實驗采用的電源為最大功率500 W、頻率20 kHz、電壓0-30 kV 可調(diào)的等離子體電源(CTP-2000 K,南京蘇曼等離子體科技有限公司),此外,使用流速為3 slm 高純氬(Ar: 99.999%)作為工作氣體.

等離子體射流的放電行為的診斷分析主要通過電學(xué)測試與ICCD 相機采集.電學(xué)測試為采集等離子體放電時的電壓-電流波形,而ICCD 相機采集為獲取等離子體放電過程中的納秒級時間分辨圖像,通過電壓-電流波形與納秒級時間分辨圖像的有機結(jié)合可以詳細的分析等離子體的產(chǎn)生與演化的過程.在診斷分析過程中,電壓-電流波形由示波器 (型號: R& RTO 1014.1GHz.10GSa/S) 記錄,同時用到高壓探頭 (型號: Tektronix P6015A) 與皮爾遜電流計 (型號: Pearson 8181),而納秒級時間分辨圖像由ICCD 相機 (型號: DH334T Andor New iStar) 采集,同時用到了數(shù)字脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(型號: MODEL DG535,STANFORD RESEARCH SYSTEMS).

1.2 電學(xué)測試

圖2 中展示了等離子體放電時所測量的電壓-電流波形與等離子體射流的照片,從圖2(a)中可以得出,電壓波形穩(wěn)定,其幅值約為14 kV,頻率約為20 kHz,產(chǎn)生的電流同樣具有周期性,電流波形有著類似正弦的形狀,幅值約為8.5 mA,在正弦輪廓的基礎(chǔ)之上,在波峰與波谷處,疊加有大量寬度在100 ns 左右的密集電流脈沖,這些電流脈沖的出現(xiàn)引起了電流波形的畸變.

圖2 放電電壓-電流波形與等離子體射流照片F(xiàn)ig.2 The discharge current-voltage waveform and the photo of the plasma jet

此外,在一個周期內(nèi),到達電流到達正、負峰值之前,均會產(chǎn)生一個寬度約1.5 μs 的脈沖,脈沖的大小分別為 +12 mA 及-8.8 mA.在電流波形中,引起電流波形畸變的每一個脈沖信號,都代表著等離子體放電時裝置內(nèi)部形成一個個的放電通道,放電通道形成的原因則是電極區(qū)的石英管內(nèi)壁表面壁面電荷(Q)的聚集[30].圖2(b)為實拍照片,細看可知,裝置可噴出長度為25 mm 的等離子體.

1.3 ICCD 相機設(shè)置

ICCD 相機雖然不能像高速相機一樣,在幾秒內(nèi)連續(xù)拍攝成百上千張照片,但是其優(yōu)勢在于可以拍攝高清晰度的納秒級照片,同時可以設(shè)置不同的拍攝時間節(jié)點,只要等離子體放電擁有較好的重復(fù)性且擁有穩(wěn)定的觸發(fā)信號,那么可以將多次采集的不同時間節(jié)點的照片進行拼接,來獲取完整周期的變化照片,以便分析等離子體的放電模式.

因此,首先需要保證無外部環(huán)境的干擾,來確保等離子體放電擁有良好的重復(fù)性,同時,需要給ICCD 相機輸入一個穩(wěn)定的外部觸發(fā)信號,在此過程中,需要將高壓電源前端的電壓信號輸出口接至數(shù)字脈沖發(fā)生器的輸入端,通過設(shè)置,可以在正弦電壓信號歸零時,由數(shù)字脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個3.8 V 的脈沖信號,如圖3 所示,此脈沖信號可以作為ICCD相機的外部觸發(fā)信號,為相機提供精確的拍攝時間節(jié)點.

圖3 高壓電源輸出電壓與外部觸發(fā)信號Fig.3 HV supply output voltage and external trigger signal

除了外部觸發(fā)信號之外,還需要對ICCD 相機進行拍攝參數(shù)設(shè)置.首先采集模式選取動力學(xué),此模式可以進行連續(xù)拍攝,例如將動力學(xué)系列長度設(shè)置為20,即一次操作采集20 張照片;其次,曝光時間,設(shè)置為1 s,曝光時間為采集一張照片所需的時間,時間長度決定了照片的清晰度,可根據(jù)實驗環(huán)境適當(dāng)延長;ICCD 相機最重要的是設(shè)置采集的門模式,由于需要拍攝納秒級時間分辨照片,因此,必須選擇數(shù)字延遲發(fā)生器模式(digital delay generator,DDG),在此模式下,只有門脈沖為高時,光電陰極才會打開,本實驗中門寬設(shè)定為10 ns;最后,需要對采集的時間步長進行設(shè)置,模式選擇為常數(shù),即每張照片的拍攝時間距離觸發(fā)信號的時間為累加的常數(shù),步長可根據(jù)實驗條件進行設(shè)置,例如設(shè)置了1 μs 的步長,那么第一張照片的拍攝時刻為觸發(fā)信號到達的時刻,第二張照片的拍攝時刻為觸發(fā)信號到達后延遲1 μs,第三張照片的拍攝時刻為觸發(fā)信號到達后延遲2 μs,以此類推.

區(qū)別于CCD 相機的是ICCD 相機結(jié)合了CCD傳感器和光信號增強器件,此款I(lǐng)CCD 相機的光信號增強器件(intensifier)采用的是微通道板(microchannel plate,MCP),首先將光信號引導(dǎo)到增強器件上,增強器件將光信號放大后,再通過CCD 傳感器捕捉,然后進行圖像讀取和數(shù)字化.因此,如果照片不夠清晰,可使用MCP 進行增益,增益大小通過軟件進行設(shè)置,范圍為0～ 4095,通過增加增益,MCP兩端的電壓增加,到達CCD 傳感器的光學(xué)信號就會被放大,最高可放大上千倍,這種方法往往會提升圖像的信噪比,在實驗室環(huán)境下增益數(shù)值設(shè)置一般不超過2200.

在正式拍攝之前,還需要考慮到各個線路中的信號延遲差異.線路中主要存在兩個方面的延遲,第一方面來自于電源,即高壓電源前端的電壓信號輸出口與高壓電源的輸出端之間存在延遲;第二方面來自于數(shù)字脈沖發(fā)生器,將正弦信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號也會產(chǎn)生延遲.為了測試兩方面延遲的大小,我們通過示波器采集了對應(yīng)的波形,所測得結(jié)果如圖4所示.采集過程中利用高壓探頭(Tek P6015 A)采集了電源輸出端的信號,利用BNC 線采集了電源前端的電壓信號輸出口的信號,同樣利用BNC 線采集了數(shù)字脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號,在此過程中,忽略了高壓探頭與BNC 線二者的傳輸時間的差異,也忽略了示波器兩個通道之間的延遲差異.

圖4 延遲分析Fig.4 Delay analysis

圖4(a)中可知,高壓電源前端的電壓信號輸出口快于電源輸出端約0.315 μs,即需要添加0.315 μs的時間延遲.從圖4(b)中可知,脈沖信號產(chǎn)生的時機在正弦信號降為0 V 之前約0.13 μs,即需要添加0.13 μs 的時間延遲,兩項延遲總計0.445 μs,數(shù)值較大不可忽略,需要在ICCD 軟件設(shè)置中添加.同時,為了減少線路中的延遲差異,在實驗過程中,需要保證各個線路中,線的總長度相同.

2 結(jié)果與討論

通過電學(xué)測量可知,放電頻率約為20 kHz,即周期約為50 μs,因此,首先將ICCD 相機的拍攝步長設(shè)置為2.5 μs,拍攝20 張,并將不同時間節(jié)點采集的照片拼接在一起,組成一個完整的等離子體放電周期,這樣就可以觀察一個周期內(nèi)等離子體演化的大致行為,結(jié)果如圖5 所示.值得一提的是,ICCD 相機得到的原本為黑白照片,所有顏色均是通過后期加工.

圖5 一個周期內(nèi)等離子體射流放電過程Fig.5 Plasma jet discharge within one cycle

通過照片可以看出等離子體射流放電較為穩(wěn)定,并且經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn),在每一周期的同一時刻獲取的照片基本一致,重復(fù)性好.從圖5 中可以發(fā)現(xiàn),等離子體存在一種完全脫離管口,并自主向前傳播的狀態(tài),這種狀態(tài)被稱之為“等離子體子彈”[29,31-32],更有實驗指出,射流中產(chǎn)生的“等離子體子彈”會在每一周期的同一相位點射出,用時數(shù)微秒[33].

此外,從圖5 中可以看出等離子體射流放電有兩個明顯的階段,第一階段從7.5 μs 開始至32.5 μs結(jié)束,具體表現(xiàn)為等離子體從管口逐漸噴出并離開管口繼續(xù)向下運動,整個階段有著等離子體的亮度較低、變化較緩且持續(xù)時間較長的特點,而第二階段則是從40 μs 開始至45 μs 結(jié)束,具體表現(xiàn)為等離子體極快的從管口噴出,瞬間向下發(fā)展至最遠處,此過程中有著等離子體亮度較高、變化較快且持續(xù)時間極短的特點.最后,從45 μs 開始直至下個周期的前2.5 μs,等離子體能夠以較弱的亮度維持.上述兩種階段等離子體放電演化的過程差異較大,其他實驗中也能觀察到類似的現(xiàn)象[34-37],整個過程中等離子體始終沿著石英管的中軸線傳播,并未發(fā)生偏離.

為了清楚地分析等離子體射流的具體現(xiàn)象,我們對上述兩個放電階段進行單獨的討論.首先第一階段為7.5～ 32.5 μs,為了更加直觀地展示這一階段等離子體的位置變化,我們將石英管的中軸線作為x軸,管口處作為原點,以中軸線上的亮度為y軸,進行繪圖,結(jié)果如圖6 所示,圖中可以直觀地看出等離子體的大致位置與變化情況.同時,將I C C D相機的時間步長降低至0.5 μs,通過較小的時間步長,獲取更多放電細節(jié),結(jié)果見圖7.由于放電的起始與結(jié)束過程較慢,圖像的變化較小,因此,圖7 的第一行與最后一行的照片以1 μs 的時間步長進行展示.

圖6 第一階段中軸線上不同時刻的亮度變化Fig.6 The intensities changes at different times on the x axis position in first stage

圖7 等離子體射流放電的第一階段部分照片F(xiàn)ig.7 Some photos of the first stage of plasma jet discharge

結(jié)合圖6 與圖7 可以直觀地看出等離子體射流第一階段的演化過程.首先,從7.5 μs 開始等離子體射流管口處開始發(fā)光,這表明管內(nèi)已有等離子體產(chǎn)生,并逐漸向外發(fā)展,直到9.5 μs 時,才能觀察到少量的等離子體噴出管口,11.5 μs 時已經(jīng)能明顯地觀察到管口冒出的等離子體,此時外加電壓正處于負半周期峰值附近.等離子體從管口噴出的過程用時較長,直到25 μs 時才能觀察到完整噴出的等離子體,以等離子體最下端作為參考,向下發(fā)展的平均速度約為0.9 km/s.從25 μs 開始,等離子體脫離管口,并繼續(xù)向下運動,運動過程中所拍攝的等離子體的輪廓較為清晰.

在此過程中,我們將第25,26,27 μs 的照片列出,進行尺寸標(biāo)記,如圖8 所示.結(jié)合圖8 可以看出,25 μs 時,等離子體長度約為11.7 mm,寬度約為2.3 mm,經(jīng)過1 μs 的運動之后,它的形狀會發(fā)生輕微改變,長度被拉長至13.2 mm,等離子體向下發(fā)展的過程也是等離子體逐步消散的過程.27 μs 時,等離子體長寬均有所下降,直至29 μs 時等離子體運動至最遠處,同時最下端距離管口16.0 mm,而等離子體與管口之間出現(xiàn)了0.35 mm 左右的間隙.縱觀25～29 μs 的向下運動過程,以等離子體最下端作為參考,向下發(fā)展的平均速度約為1.08 km/s.29 μs 之后,等離子體逐步消散,消散大約耗時約2.5 μs.

圖8 第一階段中不同時刻的照片F(xiàn)ig.8 Photos at different times in the first stage

本實驗中觀察到的“等離子體子彈”的大小明顯大于其他實驗中所觀察到的[29-31,38-41],這是因為實驗中用到的工作氣體為Ar,電源為高頻高壓交流電源,電壓幅值高達14 kV,并且射流管的內(nèi)徑為4 mm,而其他實驗中,主要利用脈沖電源以及He 作為工作氣體,同時脈沖幅值較小 (約5～ 8 kV),并且所采用的射流管內(nèi)徑通常在1 mm 以下.對比之下,本實驗中觀察到的“等離子體子彈”,尺寸更大、運動距離更短,運動速度更低.

從第一階段的照片來看,等離子體的運動速度遠大于氣體的流速,尤其是在射流裝置外部,處于低外加電場或零外加電場的環(huán)境下,甚至可以自主傳播.為了解釋這種快速傳播的現(xiàn)象,Lu 等[27]提出了一種基于光電離的流光放電模型來解釋“等離子體子彈”在低電場條件下的傳播動力學(xué),該模型借鑒了Dawson 等[42]所提出的流注理論,示意圖如圖9 所示.

圖9 基于光電離的流光放電模型示意圖Fig.9 Schematic diagram of streamer discharge model based on photoionization

在此模型中,將“等離子體子彈”視為一種流柱,并將流注的頭部假設(shè)為一個半徑為R0、電荷數(shù)目為n的帶正電荷球體,流注頭部發(fā)出的光子會引發(fā)光致電離效應(yīng),并在其前方r1位置處產(chǎn)生種子電子(光電子),種子電子受到流柱頭部正電荷球體所產(chǎn)生的空間電場的作用下,向頭部加速運動,過程中不斷碰撞,引發(fā)電子雪崩,當(dāng)電子雪崩發(fā)展至流柱的頭部時,產(chǎn)生的電子會與原先在頭部的正電荷相互中和,那么會在r2位置處留下一個新的帶正電荷球體,即新的“等離子體子彈”頭部,也代表著“等離子體子彈”頭部從0 位置傳播至r2位置,這就是整個傳播過程,也是等離子體能以較高的速度向前自持發(fā)展的原因.

此外,有研究表明[43-44]引起“等離子體子彈”變長的原因是等離子體中受激發(fā)的氬原子和亞穩(wěn)態(tài)分子與周圍空氣中的氮分子和氧分子接觸產(chǎn)生的碰撞所致.

等離子體射流第二階段的演化過程如圖10所示.可以看出,從38.5 μs 開始,在管口處能看到極少量的等離子體冒出,長度僅有2 mm,經(jīng)過0.5 μs 后,射流長度增加至11 mm.到40 μs 時,等離子體長度大幅增加,達到22 mm,此時電源電壓正處于正半周期峰值附近,整個放電過程發(fā)展的極快,且等離子體始終沒有脫離管口.40.5 μs 時,等離子體放電強度達到頂峰,水平寬度在原先的基礎(chǔ)上變寬了1 mm 左右,同時,等離子體的最下端變?yōu)闄E圓狀,橢圓的水平寬度比其他處略大,射流的總長度也進一步增加至25 mm 左右.從38.5～ 40.5 μs,以等離子體最下端作為參考,向下快速發(fā)展的平均速度高達約12.5 km/s.

圖10 等離子體射流放電的第二階段照片F(xiàn)ig.10 Photos of the second stage of plasma jet discharge

為了進行細致的分析,我們將第40.5,41,41.5 μs 的照片列出,進行尺寸標(biāo)記,如圖11 所示,可以看出,在40.5 μs 時,射流整體寬度約在1.8 mm 左右,寬度略小,射流下端出現(xiàn)的橢圓狀頭部寬度卻有2.2 mm,明顯寬于其他位置.在41 μs 時,等離子體寬度依然能夠維持在1.8 mm,總長度還會略微提升1.5 mm 左右,但是射流橢圓狀頭部開始消失,經(jīng)過0.5 μs 后,已經(jīng)觀察不到射流的橢圓狀頭部,并且等離子體的長、寬均開始下降,這表明正在進入消散階段.在消散階段中,射流長度及寬度持續(xù)下降,44 μs時,寬度僅為40.5 μs 時的一半,長度也開始大打折扣,從44～ 45 μs 的照片中,甚至可以看到射流頭部10 mm 長度的等離子體逐漸消散的過程,自此以后,等離子體以極弱的狀態(tài)維持,直至下一周期開始.

圖11 第二階段中不同時刻的照片F(xiàn)ig.11 Photos at different times in the second stage

縱觀整個放電周期,第二階段放電強度最大,發(fā)展速度最快,整個階段發(fā)生在電壓最大值附近,此階段的放電現(xiàn)象可解釋為,環(huán)境中遺留的電子或光電離產(chǎn)生的電子受強電場的影響向電極方向運動,過程中不斷地發(fā)生碰撞,最終引發(fā)電子雪崩,產(chǎn)生強烈、快速的放電,形成一種高電導(dǎo)率的等離子體,這也是這種裝置產(chǎn)生的等離子體帶電,無法直接觸摸的原因.

為何一個放電周期內(nèi)會產(chǎn)生兩種效果不同的放電現(xiàn)象,下面我們將對這個問題進行討論.這種差異與外加電場和等離子體放電時形成的空間電場有關(guān)[45],示意圖如圖12 所示.

圖12 不同外加電場對等離子體放電的影響Fig.12 The influence of different applied electric fields on plasma discharge

等離子體放電時,所形成的空間電場由“等離子體子彈”頭部聚集的大量的正電荷與介質(zhì)表面積累的電荷形成.當(dāng)外加電壓為正時,“等離子體子彈”頭部聚集的正電荷的電場與外加電場的方向一致,總場強得到增強,促進等離子體射流向前發(fā)展,因此,此時觀察到的射流長度較長、放電較強,同時,電子也會快速運動至介質(zhì)表面,與頭部的正電荷形成反向電場,這種反向電場會導(dǎo)致“等離子體子彈”與介質(zhì)之間的放電減弱,在等離子體與介質(zhì)之間甚至?xí)纬梢欢慰諜n,此時觀察到的射流寬度較低,這也是圖11 中所測量的等離子體射流寬度僅有1.8 mm 的原因;當(dāng)外加電壓為負時,電子則會快速向遠處運動,與遠處的正離子相互復(fù)合,而后消失,此時“等離子體子彈”頭部聚集的正電荷的電場與外加電場的方向相反,總場強被削減,不利于等離子體射流向前發(fā)展,因此,此時觀察到的射流長度略短、放電略弱,同時,由于電子的消失,頭部的正電荷與介質(zhì)之間也會形成較強的電場,它的存在會導(dǎo)致“等離子體子彈”與介質(zhì)之間的放電增強,此時觀察到的射流寬度也會略大,仔細看圖7 的第22～ 23 μs 的照片也可看出射流管口處等離子體的寬度較大.

最后,在拍攝過程中,還存在兩個重要的問題,分別為: (1) 等離子體演化的重復(fù)性是否良好;(2) 增加曝光時間是否會擴大等離子體的輪廓.

為了解決上述問題,我們設(shè)置了不同曝光時間進行測試,并選取第26 μs 的照片進行對比,第26 μs對應(yīng)于第一階段中等離子體離開管口并向下傳播的時刻,測試結(jié)果如圖13 所示.

圖13 不同曝光時間下所采集的照片對比Fig.13 Comparison of photos collected under different exposure times

此處需要額外強調(diào)的是,在設(shè)置的曝光時間內(nèi),外部觸發(fā)信號會持續(xù)不斷地輸送給ICCD 相機,每到達一個脈沖信號,ICCD 相機便會在其上升沿進行一次采集,最后,在曝光時間結(jié)束時,ICCD 相機會將所有采集的照片進行疊加處理并輸出,也就是說在我們的模式下曝光時間一定程度上代表著相機的采樣次數(shù),例如,設(shè)置1 s 的曝光時間,外部觸發(fā)信號的頻率等于電源頻率,大小為20 kHz,即1 s 內(nèi)相機采集了2 萬次,那么設(shè)置0.5 s 的曝光時間代表著相機采集了1 萬次,以此類推.

從圖13 中可以看出,每張照片中等離子體的中心位置相差不大,同時,我們也進行了多次重復(fù)試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在同一時刻獲取的照片基本一致,這就說明等離子體演化的重復(fù)性良好.此外,還可直接看出,增加曝光時間,即增加采樣次數(shù),并不會擴大等離子體的輪廓,反而會讓照片更加清晰,尤其是在曝光時間大于0.2 s 時,這一點也能側(cè)面印證等離子體放電的重復(fù)性良好.

3 結(jié)論

采用ICCD 相機對雙環(huán)狀電極等離子體射流進行了時間分辨診斷分析,并詳細介紹了ICCD 相機采集系統(tǒng)與使用方法.等離子體射流通過高頻高壓交流電源驅(qū)動,并通入3 slm 的Ar 作為工作氣體.通過將ICCD 相機門寬設(shè)定為10 ns,步長設(shè)定為2.5 μs采集放電照片發(fā)現(xiàn),等離子體射流的一個周期內(nèi)存在兩個明顯的放電階段,兩次放電現(xiàn)象差異較大.再次將步長設(shè)定為0.5 μs 以獲取兩個階段中更加細節(jié)的放電照片,分析發(fā)現(xiàn),第一階段放電強度較弱,等離子體射流尺寸較小,但放電持續(xù)時間較長進一步研究發(fā)現(xiàn)等離子體存在脫離管口自主向下運動的過程,以等離子體最下端作為參考,脫離管口后向下運動的平均速度約為1.08 km/s.此外,采集了第二階段的放電照片,此階段有著放電強烈、產(chǎn)生的等離子體射流尺寸較大、發(fā)展迅速的特點,以等離子體最下端作為參考,向下快速發(fā)展的平均速度約為12.5 km/s,等離子體發(fā)展至最遠處后,開始逐步消散,整個階段中等離子體始終未離開管口.

本項工作揭示高頻高壓電源激勵下,雙環(huán)狀電極等離子體射流在一個周期內(nèi)的放電行為,分析了過程中的放電原理.本工作的結(jié)論對等離子體理論分析、放電模擬、材料處理等多方面均有積極的推動作用,甚至在等離子體設(shè)備的設(shè)計研發(fā)方面也存在輔助與反饋的作用.總之,這種化整為零的時間分辨診斷方法,能讓我們更加深刻的了解到等離子體的基本性質(zhì),在等離子體的眾多診斷方法中有著不可替代的獨特作用.通過本項工作的研究,我們期望能夠為大氣壓等離子體今后的應(yīng)用提供詳細的實驗依據(jù),推動大氣壓等離子體技術(shù)的發(fā)展與進步.