脈沖電壓對大氣壓脈沖放電等離子體射流的影響

何慶騫，韓乾翰，武晨瑜，郭 穎，石建軍

(東華大學 理學院，上海 201620)

在大氣壓等離子體射流基礎上，采用特殊電極結構，利用電場和氣流的作用使放電區域產生的等離子體并從噴管或噴嘴中噴出，形成的等離子體射流長度可達10 cm。因其氣相溫度低、化學活性高、發生裝置簡單、可處理非規整的材料表面等特點，在汽車、生物醫學[1]、環境工程[2]等領域都表現出突出的優勢，近年來引起了越來越多的關注。但等離子體射流長度限制了處理材料的尺寸，從而使等離子體射流應用范圍受限，一般認為放電電壓、載氣流速、放電波形、占空比等因素對射流長度的影響較大。如Liu[3]指出等離子體噴射羽流長度受脈沖寬度的影響，并隨脈沖寬度的增加呈先增加后逐漸減小趨勢，且在脈沖寬度達到一定程度后幾乎保持不變。Walsh等[4]研究發現，隨著電壓脈沖寬度的增加，等離子體射流先延伸到一定的長度然后保持恒定，發現驅動電壓的頻率為5 kHz時，射流長度最大，對應的電壓脈沖寬度為3 μs。Uchida等[5]總結了等離子體射流長度隨占空比的變化規律，發現當占空比從20%增加到80%時，射流長度從59 mm減小為48 mm。Li等[6]采用毛細管介質阻擋放電結構研究了氣體流量對大氣壓等離子體射流長度的影響，發現氣體流量不同會導致上下游區域放電模式的不同，從而影響等離子體射流長度。Xian等[7]研究發現，在特定的脈沖寬度下，正、負電壓脈沖放電的每個電壓脈沖都會產生2～3顆等離子體子彈。Park等[8]利用毛細管氦介質阻擋等離子體射流，在一個電壓周期內觀察到至多8顆等離子體子彈，研究發現，等離子體子彈的數量很大程度上取決于氦氮混合工作氣體中氮的含量。Xiong[9]研究了兩種射流裝置下電源電壓對等離子體射流長度的影響，發現裝置噴嘴上連接玻璃管時，射流長度基本呈現線性變化，去掉玻璃管后射流長度明顯縮短。

前人針對射流長度的研究中，放電過程均是單等離子體子彈，未在等離子體數目方面對射流長度進行研究，本文在固定脈沖頻率和占空比的條件下，研究等離子體射流長度隨脈沖電壓的變化和放電過程中等離子體子彈數目的變化。

1 試驗裝置及過程

1.1 試驗裝置

試驗示意裝置如圖1所示。放電裝置由石英管體(外徑6 mm，內徑4 mm，長度8 cm)以及單個銅電極組成。銅電極寬度為6 mm并連接脈沖電源。脈沖信號由信號發生器(Tektronix AFG 3102型)產生，同步控制脈沖放電系統及觸發增強電荷耦合器件(ICCD)相機(Andor i-Star DH734型)。脈沖電源系統由Spellman DC電源(Sl 2000型)和脈沖開關(DEI pvx-4110型)組成。試驗使用電壓探頭(Tektronix P6015A型)和電流探頭(Pearson 2877型)測量電壓和電流波形，并用數字示波器(Tektronix TDE 3034C型)采集并記錄數據。

1.2 試驗過程

向石英管體中通入放電氣體氦氣，其純度為99.999%，流速為2.0 L/min。通過電源系統改變加載在電極上的電壓，試驗中固定脈沖電壓頻率和占空比分別為5 kHz 和4.0%不變，脈沖電壓分別設置為4.5、 5.0和5.8 kV。通過ICCD相機診斷等離子體射流區域的放電情況，ICCD相機曝光時間為20 ns，拍攝步長為40 ns。同時通過示波器診斷放電過程中的實際電流和電壓。最后將所得數據進行后期處理得到試驗結果并進行分析。

2 結果與討論

2.1 不同脈沖電壓下的電流電壓波形

不同脈沖電壓下的脈沖放電電流和電壓波形圖如圖2所示。試驗中使用的脈沖發生器產生的脈沖電壓上升沿和下降沿約為50 ns，脈寬約為8 μs。需要說明的是測量的電流值為放電的總電流，即包含位移電流和放電傳導電流，而且前者明顯比后者大得多。

Fig.2 Voltage and electric current waveforms underdifferent pulse voltage amplitudes

由圖2可以看出，在電壓的上升和下降沿附近分別有一個顯著的電流峰，隨著脈沖電壓幅值從4.5 kV增加到5.8 kV，兩次放電電流峰從開啟位置(分別為0.79和8.24 μs)、峰值大小以及整體電流波形形貌上都沒有發生太大變化。在脈沖的上升階段，電流波形在0.79 μs時刻有明顯的峰值，并且隨著放電電壓的升高有所增加(分別為1.38、 1.42和1.49 A)，這主要是由于該電流峰為容性放電中的位移電流而產生的。在脈沖電壓上升沿附近，不需要預電離時間就會發生第一次放電，說明當外加電壓足夠高時，外電場施加到氣體間的電場足以擊穿氣體產生放電。

2.2 不同時刻等離子子彈運行軌跡

試驗中固定脈沖放電頻率和占空比分別為5 kHz和4.0%，利用ICCD采集了不同放電電壓下的等離子體射流時子彈的輸運過程圖，結果顯示，脈沖電壓幅值為5 kV時，出現了多子彈現象。以5.0 kV脈沖電壓幅值為例，對不同時刻脈沖放電下的等離子子彈運行軌跡進行說明，如圖3所示。

從圖3可以看出：放電從0.80 μs左右開始，以等離子體子彈形式出現；而在1.60 μs時可以觀察到兩顆子彈，然后兩顆子彈因傳輸速度不同逐漸分開，最后都運行到較遠的位置湮滅消失；下降沿放電從8.24 μs開始，形成的等離子體子彈形狀不明顯，同時很快湮滅消失，運行距離較短。

等離子體子彈在管內傳播時，受外加電場和石英管內壁空間電荷形成的自建電場的共同作用。對于脈沖電壓下降沿產生的等離子體子彈，高壓電極作為臨時陰極，產生放電的電壓是負極性的，而上升沿放電產生等離子體子彈的電壓是正極性的。根據Shao等[10]的研究，正極性產生的等離子體射流的長度更長，傳播速度更快，因此上升沿子彈運行距離比下降沿子彈運行距離遠。

2.3 多子彈現象產生的機理探究

通過研究4.5、 5.0和5.8 kV 3個脈沖電壓下射流放電空間演化過程和等離子體子彈運行特性來探究多子彈現象產生的原因。

將ICCD采集到的子彈輸運過程照片按時間順序進行歸一化處理，得到不同脈沖電壓下射流放電空間演化圖和對應子彈強度變化圖如圖4所示。

雖然圖2中4.5 kV的放電電流、電壓波形圖與5.0 和5.8 kV區別不大，但是從圖4(a)可以看出，當放電電壓為4.5 kV時，只有一顆子彈運行，并且由于脈沖受到了放電下降沿的影響，子彈在35 mm附近終止于管內，下降沿放電也終止于管內10 mm處。

Fig.4 Space evolution map of jet discharge at different atmospheric pressures (exposure time is 20 ns)

圖4(b)為兩顆子彈的時空演化過程，相鄰照片的時間間隔為40 ns。第一顆子彈沖出管口(4 cm)后在6.60 μs時刻熄滅，未受下降沿電壓的影響。第二顆子彈終止于下降沿放電的開啟時刻(8.00 μs)，最終兩顆子彈都傳輸到了60 mm的位置。下降沿放電在8.24 μs開始，但是沒有形成明顯的等離子體子彈，且終止于20 mm處的管內。

圖4(c)為脈沖電壓增加到5.8 kV時的空間演化圖。從圖4(c)中也只觀察到了一顆子彈的運行軌跡，但傳播速度較圖4(a)中快，子彈大約在4.00 μs時沖出管口，終止于65 mm處的管外，下降沿放電持續時間相對增長，終止在管內30 mm處。

圖4(d)對應不同放電電壓條件下，放電產生的等離子體子彈圖像強度隨時間的變化過程。脈沖電壓為4.5 kV時產生的子彈在管內的強度要稍高于5.0 kV時產生的兩顆子彈強度，而脈沖電壓為5.0 kV時兩顆子彈都達到60 mm附近，且第一顆子彈的強度要高于第二顆。當脈沖電壓增加到5.8 kV時，形成的等離子體子彈只有一顆且強度在管內外都比其他電壓下產生的子彈強度高。

不同電壓下等離子體射流中子彈的速度空間分布如圖5所示。

由圖5可知：子彈在管內傳輸時，即子彈離電極的距離小于40 mm時，5.8 kV電壓產生的等離子體子彈速度最大，其次是5.0 kV電壓產生的兩顆等離子體子彈，而4.5 kV電壓產生的等離子體子彈速度最小。其中5.0 kV電壓時形成兩顆等離子體子彈，第二顆子彈在8 mm處速度降低，兩顆子彈開始分離。4.5 kV電壓產生的子彈并未傳輸到管外，在管內30 mm處湮滅，而5.0和5.8 kV電壓產生的等離子體子彈都傳輸到管外，且在靠近管口時都會有一段加速過程。5.8 kV電壓產生的等離子體子彈到達管口時速度最大，而兩顆子彈的速度都是在管外達到最大值，等離子體子彈速度達到最大值后逐漸減小，在60 mm處湮滅，速度降低到最小。

通過對以上射流放電空間演化過程和子彈運行特性進行分析，根據Lu等[11]的光電離流光模型對多子彈現象進行簡單的解釋。在介質阻擋放電中，等離子體子彈在管內傳播是由于介質表面電荷積累形成了局部內建電場，電子在電場中加速，與氦原子碰撞，引起氦原子的電離與激發。電子沉積在陽極介質表面，以降低此處的電位，而機動性較差的正離子會在放電通道中積聚，使局部電場發生強烈畸變，因此，等離子體迅速向陰極發展(移動)，外加電場與子彈頭部之間形成一條放電“暗通道”。 而“暗通道”電場場降很小，外加電場只需要很小的損失就能通過這一“暗通道”并傳輸至等離子體子彈頭部，電勢相當于直接施加在等離子體子彈頭上，隨著電壓增大到一定幅值，等離子體子彈頭部和零電勢點之間的場強增大，子彈強度越來越大，導致等離子體子彈的不同部分速度出現差異開始分裂，多子彈現象出現。隨后經過子彈頭部相互排斥作用，子彈之間距離拉大，多子彈現象變得明顯。同時由于場強的增大，等離子體子彈速度變得越來越大，當子彈速度很快時，子彈不同部分的分離反而變得困難，因此繼續增大電壓則等離子體子彈數目將恢復為一顆。

2.4 不同脈沖電壓下等離子體射流長度

等離子體射流長度隨脈沖電壓幅值變化如圖6所示。由圖6可以看出，等離子體射流在3.5 kV時開始產生。在等離子體射流長度未達到管口前(40 mm處)，射流長度隨脈沖電壓幅值的增加而逐步增長，而在射流長度達到管口后，快速增長至60 mm，隨著脈沖電壓幅值的進一步增加，射流長度增長幅度較小。

由上文可知：脈沖電壓為5 kV時，射流放電產生的等離子體子彈數目由一顆變為兩顆；當電壓為5.8 kV時，射流產生的等離子體子彈恢復為一顆，但子彈傳輸速度加快。根據光電離流光模型的傳播理論，外加電場與子彈頭部之間存在一條放電“暗通道”，在電壓較小時，下降沿放電能夠影響到上升沿放電的等離子體子彈，由于下降沿開始放電導致上升沿放電的“暗通道”被破壞，上升沿子彈迅速減弱消失，在此階段，射流長度受電壓影響很大。在子彈傳播到一定距離后，“暗通道”會從高壓電極這一端開始消失，等離子體子彈減弱直至消失，并且如果電壓足夠大，下降沿放電對上升沿子彈沒有影響，此時改變電壓不會對射流長度造成很大影響。因此，射流長度呈現出隨脈沖電壓的增大先增長，然后趨于穩定的變化規律。而在射流長度開始趨于穩定時出現了雙子彈現象，說明等離子體子彈數目變化在這個轉變過程中起到重要作用。

3 結 語

在固定脈沖頻率和占空比的條件下，通過研究不同脈沖電壓下大氣壓放電射流的電流電壓波形、射流中子彈的運行特性以及強度變化來探究射流長度隨脈沖電壓變化的規律及原因。研究發現，大氣壓脈沖放電等離子體的射流長度首先會隨著電壓增大而增長，在電壓升高到一定幅值后，射流長度會趨于穩定不再明顯增長。在這個變化過程中，放電產生的等離子體子彈的數目會發生變化，影響子彈的強度、運行速度和存在時間，進而影響射流長度。