大气压非平衡等离子体射流中种子电荷实验研究

摘要

大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)中种子电荷实验研究一直是困扰高电压气体放电领域或等离子体科学领域的难题。无论是传统的流注理论还是热门的电离波理论，都认为APNP-Js推进过程中种子电荷是必不可少的。然而，由于种子电荷密度低、衰减快、干扰因素多，导致种子电荷实验研究还停留在空白阶段，严重制约了流注理论和电离波理论的突破和完善。为了克服这一难题，本论文采用具有μm级空间分辨率和ns级时间分辨率的光谱诊断和高速拍摄技术，自主设计基于带电粒子漂移和扩散原理的种子电荷测量系统，深入研究种子电荷的产生机理，探索种子电荷与APNP-Js推进高重复性现象的关联机制，发现APNP-Js“蛇形”推进和背景电荷诱导第三次放电（外加电压为零）的新现象。
　　一、针对种子电荷产生机制长期处于理论假设阶段的研究现状，采用新型诊断系统，对两种主要的种子电荷产生机制（光电离与背景电离）展开了系统的实验研究。(1)光电离研究。首先，排除放电电荷和电磁干扰，设计fA级光电流检测装置，首次成功证实了APNP-Js中存在光电离。其次，为了检测光电离过程中高能辐射光子，结合光谱诊断和高速拍摄技术，大幅度提高信噪比，第一次检测到95 nm和101 nm附近的两个氮分子真空紫外谱带。再者，通过二维数值计算APNP-Js中光电离过程，获得光电离产生的种子电荷密度为~108 cm-3。最后，研究光电离对APNP-Js的影响，发现光电离能够大幅度加快APNP-Js的产生。(2)背景电离研究。采用自主设计的种子电荷测量系统，定量诊断APNP-Js中背景种子电荷密度。发现背景种子电荷密度与脉冲重复频率成线性关系。当脉冲重复频率为8 kHz时，背景种子电荷密度等于或大于3.4×109 cm-3。当脉冲重复频率降低至0.2 kHz或更低时，背景种子电荷密度接近光电离产生的种子电荷密度。据此预测：当脉冲重复频率降低至0.2 kHz左右时，APNP-Js推进现象将出现明显变化。
　　二、APNP-Js推进具备高重复性是区别于开放空间内流注放电的关键特征之一，但人们对蕴含在该现象中的物理机制知之甚少。针对这个问题，根据种子电荷的产生和衰减机制，本文从脉冲重复频率、气体成分和脉冲放电个数三个方面来探究APNP-Js推进重复性的内在本质。(1)与人们普遍认为APNP-Js推进具有高重复性的观念相反，首次发现在脉冲重复频率降低至0.2 kHz或更低时，APNP-Js推进具有明显的随机性。该实验结果与种子电荷密度预测现象十分吻合。据此，首次提出背景种子电荷密度在APNP-Js推进重复性中起关键作用。鉴于气体成分与放电脉冲个数是影响背景种子电荷密度的关键参数，本文研究气体成分和放电脉冲个数对APNP-Js推进重复性的影响。(2)调控气体成分比例，观测APNP-Js推进重复性变化。结果表明：APNP-Js推进重复性严重依赖于氮气含量，而与氧气含量没有明显关联。(3)发现随着脉冲放电个数从1增加至100以上，背景种子电荷密度从自然辐射密度(102~104 cm-3)逐渐升高，APNP-Js推进从具有明显的随机性过渡到具备高重复性。诊断和分析认为：当背景种子电荷密度为109 cm-3或更高时，APNP-Js推进具备高重复性；当背景种子电荷密度降低至等于或小于108cm-3时，则APNP-Js推进具有明显随机性。
　　三、基于种子电荷的APNP-Js推进机制，研制了双APNP-Js正对推进的新型装置。通过控制气流状态和外加脉冲电压参数，发现了APNP-Js“蛇形”推进和背景电荷诱导第三次放电（外加电压为零）的新现象。(1)调节管内气流状态，发现湍流状态下APNP-Js是呈“蛇形”弯曲推进，而不是人们通常认识的“APNP-Js呈子弹形状、直线推进”。分析认为：该现象是因为层流转为湍流时，管内背景种子电荷密度分布变得不均匀导致的。(2)调节外加脉冲电压参数，发现当两个APNP-Js的外加电压幅值不相同时，在两个APNP-Js中间出现的是第三个APNP-J，而不是暗区（外加脉冲电压幅值相同）。高速拍摄结果表明第三个APNP-J是产生在脉冲电压降为零后300 ns，与外加脉冲电压无直接关联。进一步分析认为：高密度上下游背景电荷是诱导第三个APNP-J产生（对应第三次放电）的主要因素。
　　简而言之，本工作深入研究了种子电荷产生机制、种子电荷在APNP-Js推进重复性中的关键作用、以及发现APNP-Js推进的两个新现象，为理论、模拟和实验诊断提供了可靠的实验依据。

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1 引言

1.1大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)概述

1.2 APNP-Js物理机制研究意义

1.3 APNP-Js物理机制研究现状

1.4亟待解决的APNP-Js物理机制问题

1.5本论文主要内容与创新点

2 光电离与背景电离实验研究

2.1第一个APNP-J实验研究

2.2真空紫外光谱诊断

2.3实验证明光电离存在性

2.4数值计算光电离产生的种子电荷密度

2.5定量诊断背景种子电荷密度

2.6比较光电离与背景电离

2.7本章小结

3 APNP-Js推进重复性研究

3.1脉冲重复频率影响APNP-Js推进重复性

3.2 N2/O2影响APNP-Js推进重复性

3.3 APNP-Js推进重复性的自然过渡机制研究

3.4本章小结

4 APNP-Js“蛇形”推进与背景电荷诱导第三次放电

4.1 APNP-Js“蛇形”推进

4.2背景电荷诱导第三次放电（外加电压为零）

4.3本章小结

5 结论

6 附录-本论文所使用的主要仪器设备

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文、获得专利