輝光放電等離子體對氣壓變化的響應特性

李 帆焦俊凱羅海云王偲臣林 峰

（1. 中國科學院大學物理學院 北京 100049 2. 中國科學院工程熱物理研究所先進能源動力重點實驗室 北京 100190 3. 清華大學電機系氣體放電與等離子體實驗室 北京 100084）

輝光放電等離子體對氣壓變化的響應特性

李 帆1,2焦俊凱3羅海云3王偲臣2林 峰2

（1. 中國科學院大學物理學院 北京 100049 2. 中國科學院工程熱物理研究所先進能源動力重點實驗室 北京 100190 3. 清華大學電機系氣體放電與等離子體實驗室 北京 100084）

當代氣體動力學研究經常需要測量超高頻流動現象，而目前使用的測量技術手段頻響存在瓶頸?；谳x光放電等離子體原理測量氣壓的方法，頻響由驅動電源載波頻率決定，有望突破此瓶頸，進而捕捉更細致精確的非定常流動信息。在進行高頻、超高頻交流驅動實驗之前，首先需要研究穩態氣壓對輝光放電等離子體的影響，即在直流驅動不同電極間隙條件下輝光放電具有的不同放電模式，以及該放電模式下輝光放電的維持電壓對較寬范圍不同穩態氣壓（0.5～1.0atm）的響應規律。實驗結果表明：間隙50μm電流控制在3～4.5mA范圍，探針工作在反常輝光放電模式，電壓隨著氣壓增大而單調變小；間隙250μm電流控制在2～3.5mA范圍，探針工作在亞正常輝光放電模式，電壓隨著氣壓增大而單調增大；間隙190μm時探針電壓幾乎不隨氣壓變化。

輝光放電 等離子體 穩態氣壓 放電模式 響應規律

0 引言

為了捕捉和提取更細致精確的非定常流動信息和三維流場的精細結構，如湍流、非定常分離泡以及流動失穩等，氣體動力學研究者們期望傳感器頻響能夠達到MHz級別。而目前廣泛使用的壓阻式傳感器和熱線風速儀受質量慣性和熱慣性的限制，頻響無法高于500kHz[1-5]?；谳x光放電等離子體原理測量氣動參數的方法，頻響由驅動電源載波頻率決定，有望突破此瓶頸。事實上，早在1934年，加州理工學院就提出用輝光放電等離子體來制作高頻響速度探針，但由于大氣壓輝光放電的理論和實驗研究在最近三十年才不斷取得一些突破[6-11]，以及電子工程與信號處理水平的限制，所以這種基于等離子體的測量探針很長時間都沒有發展起來。然而，近年來，隨著航空航天領域的迅猛發展，對測量技術頻響的要求越來越高，這種基于輝光放電等離子體的超高頻氣壓測量方法又一次進入了研究者的視野。以下對此發展歷程做一簡要回顧。

1934年，Lindvall[12]最早利用直流輝光放電測量圓柱尾跡速度。1949年，Mettler[13]成功研制出一個噪聲低的直流輝光放電風速計，在1.6 Ma下試驗成功，并發現風速計對溫度不敏感。1955年Werner[14]設計了未補償頻響超過100kHz可以在0.8Ma試驗條件下進行測量的風速計。在早期的輝光放電風速計研制過程中，Vrebalovich[15]的工作比較突出，不僅對直流輝光放電風速計進行了改進（電極間隙為76.2μm），延長了電極壽命，還探索了交流輝光放電設計。他利用具有700kHz載波頻率的交流電驅動探針，測量了從1.3～4Ma的附面層。

由于等離子體探針的想法非常超前，不僅遠遠超出了當時航空航天等行業對高頻高速非定常氣體動力學測量儀器的需求，而且在高壓變頻電源、電極材料、大氣壓輝光放電等方面對當時的技術水平提出了過高的要求，因此，在經歷了初期的研究之后漸漸被擱置下來，相關研究轉到等離子體流動主動控制技術上。直到2000年人們開始重新審視它的優點，研究其機理以及全新的應用。2005年前后，美國圣母大學的Matlis和Corke[16,17]設計的等離子體風速計由2MHz的交流電驅動，可以在高馬赫數、高焓風洞試驗中穩定工作，在5Ma時仍對質量通量的均值和脈動成分高度敏感，并實現了計算機自動控制。除了對前人在風速計應用方面的進一步拓展，他們還將一個熱電偶改裝成能夠嵌在機匣壁面的等離子體探針（2MHz的交流電驅動）[18]，以期屏蔽質量流量中的速度分量，用來感受壁面的壓力擾動。通過對比放置在高速壓氣機試驗臺葉片前緣上游的Kulite壓力傳感器及前緣下游的等離子體壓力探針各自獲得的失速時域信號及自相關系數可以看出，二者幾乎可以同時捕捉壓氣機失速時壓力的大幅波動。

綜上所述，前人在探索利用輝光放電等離子體測量氣動參數的工作都是圍繞氣流速度展開。但由于等離子體探針本身的感知部件與所測量的環境息息相關，氣流速度變化必會帶來相應的壓力變化，因此速度與壓力如何解耦的問題阻礙了其實際應用。在壁面壓力測量方面，Matlis和Corke[18]將探針嵌在機匣壁面，捕捉到了壓氣機失速時壓力的高頻大幅波動，但輝光放電等離子體與氣體壓力的耦合機制尚未清楚，在應用到壓氣機測量之前也未經電壓-氣壓關聯性的標定過程，具有一定盲目性。

輝光放電等離子體作為一種新的測量技術在應用到實際流場測量之前，首先需要研究實驗條件環境下氣體放電對氣壓變化的響應是否具有單調唯一性和足夠的敏感性。從氣體放電理論可知，這兩個決定測量等離子體探針的主要指標不僅與探針的放電模式及穩定性有關，而且與被測流場的壓力波動頻率和放電所需交流電場頻率之間的相互耦合有關。因此有必要開展大氣壓輝光放電等離子體的理論研究和實驗研究，對等離子體與氣壓之間的關聯性進行原理性驗證和分析，嘗試提出有效產生和可靠控制大氣壓輝光放電的指導原則，為其在實際應用場合提供理論支撐依據及設計指導準則。

在這個大背景下，本文對大氣壓輝光放電等離子體對穩態氣壓的響應規律進行實驗研究，即研究直流驅動條件下不同放電間隙時，探針維持電壓對不同穩態氣壓的響應規律。內容安排如下：首先，對實驗裝置及測量設備作簡要介紹；然后，對常見的氣動參數測量原理進行介紹，及采用輝光放電等離子體進行氣壓測量的可行性分析；最后針對電極間隙和回路電流這兩個影響輝光放電模式的重要變量展開詳細研究，即直流驅動條件下不同電極間隙時探針所處的輝光放電階段，以及在這些模式下輝光放電的維持電壓對較寬范圍不同穩態氣壓（0.5～1.0atm）（1atm=101 325Pa）的響應規律。

1 實驗裝置及測量設備介紹

1.1 等離子體放電顯微觀察平臺

為了盡可能精確測量、控制及在線調節電極間隙，方便更換電極（包括更換電極材料、尺寸等），并且實現在線觀察放電狀態，設計了等離子體放電顯微鏡觀察平臺，用來精確控制保證放電區域在顯微鏡的視野內，如圖1所示。其中電極材料為較穩定的金屬鉑，陰陽極同軸放置，直徑均為0.5mm，電極端部用800目砂紙打磨使其平整；間隙距離通過與陰極相連的螺旋測微器調整，并在300倍顯微鏡下觀察控制。

圖1 放電顯微觀察平臺（電極間隙250μm，放大倍數300倍）Fig.1 The electrode spacing under the microscope（electrod gap is 250μm, 300 times）

1.2 氣體放電室及測量設備介紹

圖2為等離子體壓力探針靜態標定系統組成示意圖。圖3為氣體放電室實物，壓力氣罐由304不銹鋼制作的圓桶形腔體，放電室腔體上有3個直徑為20cm的觀察窗，以滿足同時對放電進行肉眼觀察、高速照相和光譜診斷的需要。為了方便頂部蓋板的拆卸，高壓引線經由聚四氟乙烯套筒絕緣子從放電室腔側面引入。放電室腔體四周和底面設計有KF40接口6個，KF25接口2個。除了接真空計、壓力真空表、充氣口、微抽氣口、電流引出口之外，剩余的作為備用接口。真空系統由真空機組和測量規管組成，真空機組由一臺機械泵和一臺油擴散泵組成。設計壓力（絕對壓力）為0～120kPa。實驗中的氣壓通過真空泵和閥門進行控制，氣壓的精確測量使用Inficon公司的BCG450完成，其測量范圍為5×10-8Pa～150kPa，測量精度在1%以內。

圖2 等離子體壓力探針靜態標定系統組成示意圖A—壓力氣罐 B—泵組 C—氣壓表 D—觀察窗 E—相機F—高壓線入口 G—地線出口 H—放電顯微觀察平臺I—高速示波器 J—高壓電源 K—限流電阻 L—采樣電阻Fig.2 The schematic system for plasma pressure probe static calibration

圖3 氣體放電室實物Fig.3 Gas discharge chamber

圖4為該方案的等效電路，為了防止擊穿瞬間電流過大，導致電極過熱燒蝕嚴重，選取RK為限流電阻，通常為100～500kΩ，將電路中的電流大小控制在mA級。實驗中，通過測量一個已知電阻值的無感電阻（即RL電流采樣電阻）上的電壓，可以知道電路中的總電流（包括氣隙等效電容上的位移電流和氣體放電電流）。該無感電阻串接在介質阻擋放電的下電極和電路地之間。當進行大氣壓空氣裸電極放電實驗時，由于放電電流很?。╩A級），故需選用較大的電阻測量電流才能得到足夠高電壓，以提高信噪比。因此，選用阻值為509Ω的低感金屬膜電阻。并由高壓探頭直接測量探針兩端的電壓Vgas及電流采樣電阻RL兩端的電壓VL，由此換算得到電路中的電流大小為

圖4 等效電路Fig.4 The equivalent circuit

測量所得到電壓和電流波形都經過波阻抗為50Ω的高頻同軸電纜傳輸到一臺數字存儲示波器記錄下來，以方便后續的數據處理。

1.3 實驗方法及內容介紹

實驗時，高壓直流電源產生的直流電，通過絕緣四氟乙烯套筒進入放電室中，加在等離子體探針上，此時電壓和電流的大小由示波器測量得到。在把握氣體放電特性的基礎上，保證電極間隙盡可能均勻，電極表面平整且平行，使放電能夠穩定工作。

首先，大氣壓條件下固定某一間隙和電流，得到穩定柔和的輝光放電，測量維持電壓隨放電時間的變化曲線，以研究和確認利用等離子體測量氣壓的穩定性。

然后，改變電極間隙，研究不同間隙的探針維持電壓對氣壓變化的響應規律。具體操作方法為：通過調節外加電壓的幅值，保持電流不變，改變放電室氣壓，記錄放電室內氣壓及輝光放電穩定后的電壓值。一組結束之后，再改變電極間隙，重復上述過程，便可以得到不同電極間隙時的氣壓與探針兩端電壓的關系曲線。

在此基礎上，選取兩個典型的電極間隙，分別進行其不同氣壓下的伏安特性曲線測量。具體實驗操作方法如下：保持間隙和氣壓不變，通過調節外加電壓的幅值，每次改變電流0.5mA，記錄此時電流值及輝光放電穩定后的電壓值，得到一條V-I特性曲線；改變氣壓0.1atm，重復上述過程，得到某一電極間隙時一組不同氣壓下的探針V-I特性曲線。實驗時電流同樣不能過大或過小，所取范圍均能保證其放電狀態持續穩定。

最后，比較不同電流下探針對氣壓的靈敏度，為實際測量環境下的探針設計提供參考依據。

2 實驗結果及分析

根據氣體放電理論，這種大氣壓微間隙的氣體放電可能存在湯森放電、輝光放電和電弧等多種放電模式。電壓幅值、電極間隙、電極材料等參數對放電模式都會有影響，任何一個因素的改變（可控或不可控的改變）都可能影響氣體放電的放電模式。其中維持電壓幾百～幾千伏的輝光放電最容易實現和控制，具有較低的mA級放電電流，不易燒蝕電極，因此期望探針的放電模式集中在這個區域。

由圖5氣體放電伏安特性曲線可知，輝光放電可以分為三個階段：管壓降V隨電流增大而降低的亞正常輝光放電區，即點D到點E；管壓降V隨電流增大基本保持不變的正常輝光放電，即點E到點F；管壓降V隨電流增大而增大的反常輝光放電區，即點F到點G。此時如果繼續增大電源電壓，管壓降V將隨電流增大而降低，即點G到點H所對應的輝光到電弧的過渡區域。由此可見，不同的輝光放電階段具有不同的阻抗特性，這將作為判斷探針放電模式的判據[19,20]。

圖5 氣體放電伏安特性曲線Fig.5 Definition of different gas-discharge regimes based on voltage-current properties

那么，不同的輝光放電模式，是否會影響等離子體對氣壓的響應規律呢？由氣體放電理論可知，電極間隙和回路電流是影響輝光放電模式的兩個重要因素，因此本節將針對這兩個變量分為四部分，詳細研究氣壓對輝光放電等離子體的影響。即直流驅動條件下不同電極間隙時探針所處的輝光放電階段，以及在這些模式下輝光放電的維持電壓對較寬范圍不同穩態氣壓（0.5～1.0atm）的響應規律。

2.1 大氣壓下輝光放電的穩定性

首先對該探針在大氣壓下輝光放電的穩定性進行研究。實驗條件為標準大氣壓，電極間隙為250± 10μm（因為條件限制，對間隙的估計存在誤差）。實驗時維持電源電壓不變，固定外電路電流，每30s記錄一次電壓，連續記錄110min，得到圖6探針電壓隨時間的波動變化。

圖6 大氣壓下輝光放電隨時間的維持電壓變化Fig.6 Time-dependent voltage of a glow discharge at atmospheric pressure

選取的電流不能過大或過小，過大會灼熱電極，過小則放電區域會集中在某點，造成局部嚴重燒蝕，并且輝光容易熄滅，綜合考慮本次實驗選取的電流為3mA。由于示波器測量的準確度所限，測量的電壓值均為整數。從圖6中可以看出，在啟輝后的20min電壓從377V增大了1V，此后60min內均保持穩定在378V，從80～110min電壓值在378V和379V之間波動。因此得到250±10μm的穩定電壓為378±1V，誤差為0.26%，完全可以忽略不計。

2.2 不同電極間隙時電壓對氣壓的響應規律

本次實驗選取的電流仍為3mA，由于間隙的變化對探針的放電模式影響很大，因此選擇了三個不同的電極間隙范圍即50±10μm，190±10μm和250± 10μm。每種間隙分別從0.3atm（標準大氣壓）上升到1.0atm，每0.1atm取一次數據點，實驗響應曲線如圖7所示。此處注明一下靈敏度的定義，即電壓-氣壓曲線的斜率ΔVgas/ ΔP，曲線斜率越大，探針的靈敏度越高，也就意味著能夠感受到的氣壓變化越小。

如圖7校準曲線所示，50±10μm電極間隙時電壓隨著氣壓升高而減小，具有良好的單調遞減趨勢，對應的電壓變化為35V；190±10μm電極間隙時探針電壓在0.3～0.6atm氣壓范圍內時從362V遞減到355V，0.6～1.0atm氣壓范圍時從355V上升到362V，電壓變化幅度小且不符合單調趨勢；250±10μm電極間隙時平均探針電壓隨著氣壓升高而增大，呈單調遞增趨勢，對應的電壓變化為25V。

圖7 不同電極間隙下固定電流探針對氣壓的響應曲線Fig.7 The response curves between discharge voltage and pressure at constant current under different electrode spacing

2.3 典型電極間隙在不同氣壓下的伏安特性曲線

以上分析可知，50±10μm和250±10μm兩種電極間隙均表現出對氣壓變化的高靈敏度，然而趨勢卻截然相反。

因此選取這兩個量級的典型電極間隙分別進行不同氣壓下的伏安特性曲線分析，探索曲線規律代表的物理意義。伏安特性曲線使探針在某一固定電極間隙時的放電模式一目了然，并且發現不同電流下探針所對應的放電模式不盡相同，而這是決定探針對氣壓是否單調響應和靈敏度大小的重要因素。這組曲線的用法如下：

（1）從探針電壓和電流之間的關系判斷探針的放電模式。

（2）由氣體放電相似性準則預測探針在高氣壓時的放電模式。

（3）選取某一特定電流，即可得到該電流下探針維持電壓對氣壓變化的響應曲線。

（4）方便找到探針合適的工作電流范圍，確保足夠大的功率又不過度燒蝕電極。

（5）比較不同電流下探針對氣壓的靈敏度，為實際測量環境下的探針設計提供參考依據。

圖8 電極間隙50μm時不同氣壓下的伏安特性曲線Fig.8 The effect of pressure on the current-voltage characteristics curves with an electrode spacing of 50μm

圖9 電極間隙250μm時不同氣壓下的伏安特性曲線Fig.9 The effect of pressure on the current-voltage characteristics curves with an electrode spacing of 250μm

圖8和圖9分別給出了50μm和250μm電極間隙時的伏安特性曲線?？梢园l現探針電壓對氣壓變化的響應在不同的電流下，并不總是單調關系，因此有必要分開討論。

首先分析50μm電極間隙，由原理依據可知，輝光放電階段定性分為亞正常輝光放電、正常輝光放電及反常輝光放電。對于0.5～0.8atm氣壓范圍時，電壓隨著電流升高而升高，即正阻抗特性，可以認為此時工作在反常輝光階段。對于0.9～1.0atm的氣壓范圍內，電壓與電流的關系首先表現為負阻抗特性，即隨著電流的增大電壓逐漸降低，經過2mA左右的極小值之后，又呈現正阻抗特性，因此我們認為這分別對應亞正常輝光放電、反常輝光放電，其中正常輝光放電的“平臺區”極短，因此在伏安特性曲線上不太明顯。

再對這組曲線進行整體分析，可以看出，當電流小于2.5mA時，由于0.9～1.0atm氣壓范圍內的探針放電模式與其他氣壓范圍內的不同，因此1～2.5mA電流范圍內的探針電壓對氣壓變化的響應是非單調性的，即0.5～0.8atm時電壓值隨著氣壓增大而變小，0.9atm時突然變大，甚至高于0.6atm時的電壓。而當電流范圍在3～5.5mA范圍內時，由于所有氣壓范圍內的探針放電模式都處于反常輝光放電工作模式，因此探針電壓對氣壓變化的響應是單調性的，即從0.5～1.0atm氣壓范圍內電壓值均隨著氣壓增大而變小，這和2.2節的響應趨勢一致。需要注意的一點是，當電流大于5mA時，雖然探針電壓對氣壓變化的響應仍是單調的，但此時電極燒蝕嚴重，并且接近向電弧放電的過渡區，因此規律具有一定的不可預見性。

再來分析圖9電極間隙250μm時不同氣壓下的伏安特性曲線。由圖可知，0.5atm時伏安特性曲線首先呈負阻抗特性（亞正常輝光放電），當電流3.5mA＜I＜5mA時呈正阻抗特性（反常輝光放電），其他氣壓范圍如0.6～1.0atm時，電壓均隨著電流升高而降低，即負阻抗特性，認為此時探針工作在亞正常輝光階段。

再對這組曲線進行整體分析，可以看出，當I＜2mA時，0.9～1.0atm氣壓范圍不能再維持輝光放電，但對于0.5～0.8atm氣壓范圍探針電壓對氣壓變化的響應仍是單調的，即電壓值均隨著氣壓增大而增大。當電流范圍在2～3.5mA范圍內時，由于所有氣壓范圍內的探針放電模式都處于亞正常輝光放電，因此探針電壓對氣壓變化的響應是單調性的，即從0.5～1.0atm氣壓范圍內電壓值均隨著氣壓增大而增大。當I＞3.5mA后，由于0.5atm氣壓的探針放電模式與其他氣壓不同，因此該電流范圍內的探針電壓對氣壓變化的響應是非單調性的。但如果只看0.6～1.0atm氣壓范圍，當電流范圍處于4.0～5.0mA時，電壓值仍是隨著氣壓增大而增大，只是靈敏度低于1.0～3.5mA電流范圍。

由2.2節知道，在3mA電流下，250μm電極間隙和50μm電極間隙最大的不同在于，前者是電壓與氣壓呈單調遞增關系，后者呈單調遞減關系，而上面也已經分析過，3mA時50μm電極間隙的探針工作在反常輝光階段，250μm電極間隙的探針工作在亞正常輝光階段。綜上所述，得出以下結論：①電極間隙和電流是兩個影響輝光放電模式的重要因素；②當氣壓在較寬范圍內變化時，探針的放電模式仍保持不變（亞正常輝光放電或是反常輝光放電），維持電壓對氣壓變化的響應才是單調唯一的；③電極間隙50μm電流控制在3～4.5mA范圍，探針工作在反常輝光放電模式，維持電壓對氣壓變化的響應單調遞減，即0.5～1.0atm氣壓范圍內維持電壓隨著氣壓增大而變?。虎茈姌O間隙250μm電流控制在2～3.5mA范圍，探針工作在亞正常輝光放電模式，維持電壓對氣壓變化的響應是單調遞增的，即從0.5～1.0atm氣壓范圍內維持電壓隨著氣壓增大而增大。

2.4 電流對探針氣壓靈敏度的影響

由2.3節可知，電極間隙50μm探針維持電壓對氣壓變化單調遞減響應時，可選的電流范圍為3～4.5mA；電極間隙250μm探針維持電壓對氣壓變化單調遞增響應時，可選的電流范圍為2～3.5mA。本節對這兩種典型電極間隙選取不同電流時的靈敏度進行分析，比較電流對探針氣壓靈敏度的影響，為實際測量環境下的探針設計提供參考依據。

圖10和圖11所示分別為電極間隙為50μm和250μm，四種不同電流（3mA、3.5mA、4mA、4.5mA）條件下不同電流探針對氣壓的響應曲線。由圖10可知，四條曲線均具有良好的單調遞減趨勢，對應的電壓變化分別為30V、31V、32V、31V，靈敏度整體變化不大。由可圖11可知，四條曲線也均具有良好的單調遞增趨勢，對應的電壓變化分別為46V、34V、26V、22V，靈敏度隨著電流的增大呈降低趨勢。

3 結論

本文采用直流驅動對等離子體與氣壓之間的耦合關系進行了原理性實驗和分析，結合氣體放電理論，分析幾種典型電極間隙下的放電模式的影響因素及其診斷、轉化和控制。實驗結果表明，在固定電極間隙和特定電流范圍內，輝光放電等離子體對氣壓變化的響應有良好的單調唯一性和足夠高的敏感性，在測量空氣壓力方面完全具有可行性。具體結論如下。

圖10 電極間隙50μm不同電流探針對氣壓的響應曲線Fig.10 The response curves between discharge voltage and pressure at different constant current with an electrode spacing of 50μm

圖11 電極間隙250μm不同電流探針對氣壓的響應曲線Fig.11 The response curves between discharge voltage and pressure at different constant current with an electrode spacing of 250μm

1）通過改變氣壓和外加電壓，測量了不同間隙下的放電伏安特性，得到了亞正常輝光放電、反常輝光放電等不同的放電模式。不同的輝光放電模式下，探針維持對氣壓的變化響應規律不同，只有選擇合適的間隙距離和電流，保證探針始終工作在同一種放電模式（無論是穩定在亞正常輝光放電模式還是反常輝光放電模式），才能得到探針維持電壓對氣壓變化的單調響應曲線。

2）電極間隙50μm四種不同電流（3mA、3.5mA、4mA、4.5mA）條件下，均具有良好的單調遞減趨勢，對應的電壓變化分別為30V、31V、32V、31V，靈敏度整體變化不大。

3）電極間隙250μm四種不同電流（2mA、2.5mA、3mA、3.5mA）條件下，均具有良好的單調遞增趨勢，對應的電壓變化分別為46V、34V、26V、22V，靈敏度隨著電流的增大呈降低趨勢。這些結果都將為進一步研發高頻響等離子體氣壓探針打下基礎。

然而，直流驅動等離子體探針有個致命的缺點：電極濺射嚴重，需要經常清理間隙內的雜質及打磨電極表面保證表面平整清潔。雖然目前的顯微鏡觀察平臺已經盡可能保證電極間隙的均勻，較精確和靈活控制間隙大小，但仍是難以保證每次重新調整電極后與上一次完全相同，而這也是實驗數據誤差的主要來源。交流驅動是有效解決電極濺射問題的方法，因此下一步的工作，將會在目前直流驅動研究的基礎上，展開對低頻交流、超高頻交流驅動輝光發電探針的研究。

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Response Regularity Between Glow Discharge Plasma and Static Pressure Change

Li Fan1,2Jiao Junkai3Luo Haiyun3Wang Sichen2Lin Feng2
（1. School of Physics University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China 2. Key Laboratory of Advanced Energy and Power Institute of Engineering Thermophysics Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 3. Gas Discharge and Plasma Laboratory Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China）

The frequency response of traditional measurement instruments cannot break through MHz level. In order to investigate more complicate unsteady flow, the new theory needs to be developed, where the field of glow discharge (GD) has the potential to obtain ultra-high frequency response. Before the high-frequency AC drive experiment, the coupling relationship of GD plasma and air pressure was analyzed. Thus, a direct voltage was applied to the electrodes in the experiment, to explore the response regularity between discharge voltage and a wide range of static pressure (0.5～1.0 atmosphere pressure). The results demonstrate that for a spacing of 50μm with the current increasing from 3mA to 4.5mA, the calibrated curves between discharge voltage and pressure decrease monotonically, working in the “abnormal” GD regime. On the contrary, the calibrated curves for a spacing of 250μm with the current increasing from 2mA to 3.5mA, increase monotonically, working in the “sub-normal” GD regime.

Glow discharge, plasma, static pressure, discharge model, response regularity

TO531；TM213

李 帆 女，1989年生，博士，氣動測量儀器研制及葉輪機械內部非定常流動研究。

E-mail: lifan@iet.cn

羅海云 男，1982年生，副教授，碩士生導師，研究方向為大氣壓介質阻擋均勻放電。

E-mail: lhy@tsinghua.edu.cn（通信作者）

國家自然科學基金資助項目（51176188、51406201）。

2016-05-30 改稿日期 2016-09-20