大气压脉冲放电等离子体射流特性及机理研究

通过实验和数值模拟研究了大气压脉冲放电等离子体射流,其中在脉冲电压上升沿阶段的放电中形成等离子体子弹并向接地电极输运,其传播速度在10~4 m·s~(–1)量级.数值模拟研究还发现等离子体子弹邻近区域内增强的电场强度可达到10~6 V·m~(–1),说明等离子体子弹的形成主要由放电空间局域增强的电场导致,在接地电极附近会得到进一步增强.放电空间的电子密度时空演变过程揭示了等离子体子弹经过的区域会保持较高的电子密度,说明等离子体子弹的拖尾现象;而等离子体子弹头部增强的电子产生率与局域增强的电场强度对应,这说明了等离子体子弹产生的动力学过程.该大气压脉冲放电等离子体射流中等离子体子弹的特性和机理研究为发展大气压等离子体射流提供了理论和技术基础.     

大气压氖气介质阻挡放电脉冲等离子射流特性

采用自行研制的低造价、小体积、可产生幅值0~35 kV、重复频率1 kHz的高压s脉冲电源,设计了一套以大气压氖气为工作气体的介质阻挡放电（DBD）等离子体射流源,通过测量并计算放电过程中的电压-电流波形、拍摄放电图像、光谱分析等手段,对电压幅值、气体流速对氖气等离子体射流特性的影响进行了研究。结果表明:s脉冲电源激励下大气压氖气DBD能产生锥状的等离子射流且其等离子强度适中;s脉冲电源电压幅值的快速上升,可在放电空间瞬间施加高的过电压,能有效促进放电功率、电子密度、电子激发温度和射流长度的增加;工作气体流速的增加使得放电功率、电子激发温度和电子密度减小,而射流长度变化很小;一定条件下,能形成长距离的射流。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

大气压微等离子体射流电子密度研究

采用微空心阴极放电装置,利用光学方法和电学方法研究了大气压流动Ar和N₂混合气体中产生的微等离子体射流特性。研究发现,随着电源输入功率增大到一定数值,微空心阴极装置中两个电极间气体发生击穿,通过击穿气隙气体的流动会沿着气流方向产生最大为4 mm的等离子体射流。放电电流为准连续的脉冲放电形式,其中放电电流脉冲宽度约为0.1 μs。分别利用爱因斯坦方程和等离子体发射光谱中谱线的Stark展宽方法计算了电子密度。结果发现,2种计算方法得出的微等离子体射流的电子密度均在1015·cm-3的量级。研究还发现,功率对微等离子体射流电子密度影响不大。利用气体击穿理论,对以上结论进行了定性分析。     

大气压氩气针-板介质阻挡放电的光电诊断

利用针-板介质阻挡放电装置,在4 mm长的气隙中产生了大气压氩气射流等离子体。利用电学方法实现了对放电电流和电荷量的同时测量,并且对放电脉冲数和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对放电等离子体进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ696.54 nm的Stark展宽计算了等离子体的电子密度。结果发现:随着外加电压的增加,每个周期内的放电脉冲数增加,放电功率也增加。随着针头距离的增加,电子密度由2.94×1015cm-3逐渐减小到2.28×1015cm-3。实验结果表明:电场强度对放电脉冲数和电子密度的空间分布起重要作用。     

三电极等离子体合成射流激励器工作特性参数影响实验

采用放电测量和光学诊断技术对三电极等离子体合成射流激励器放电特性及流场特性进行了实验研究,分析了放电电容、激励器腔体体积和射流出口直径对三电极等离子体合成射流流场分布及速度特性的影响.实验结果表明:三电极等离子体合成射流激励器放电过程包含触发、放电增强、放电衰减和电弧熄灭4个阶段,表现出典型的欠阻尼放电特征;等离子体合成射流流场包含射流主流、"前驱激波"和复杂的反射波系.放电电容、腔体体积和射流出口直径均存在一阈值,当电容和出口直径小于阈值、腔体体积大于阈值时,"前驱激波"以当地声速（约345 m/s）恒速传播,否则"前驱激波"则以大于345 m/s的速度传播,且与射流速度呈现相同的变化趋势,即随着放电电容和出口直径的增加而增大,随着腔体体积的增加而减小.      

针环式电极大气压下氩气等离子体射流长度影响因素研究

为掌握反应器结构参数和放电参数对大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)的射流长度的定量影响,设计了多结构的针-环式电极氩气等离子体射流装置,分别研究了放电电压、电极间隙、高压电极放电末端与接地电极的距离及氩气体积流量对射流长度的影响,并采用发生光谱法对该反应器产生的等离子体电子激发温度进行了计算。结果表明：等离子体射流的最大长度可达80 mm;高压电极放电末端与接地电极之间的距离越大,射流长度越长但不是线性增长;射流长度随电极间隙的增加呈现先增大后减小的趋势且在电极间隙为4.5 mm时该射流达到最大长度;随着氩气体积流量的增加,等离子体射流长度也呈现出先增大后减小的趋势且减小的幅度较低;电子激发温度在高压电极和接地电极处较高,两电极之间部分次之,在石英管出口处会有比较明显的下降。     

激光干涉法诊断空气开关等离子体的技术研究

介绍了激光干涉技术用于诊断等离子体的基本原理、实验装置及图像处理方法等,通过Mach-Zehnder激光干涉仪诊断了空气开关等离子体。结果表明,该实验装置能够获得高质量的干涉图。通过对干涉图的数值处理,重建了等离子体电子密度的三维分布。空气开关放电后75ns时刻,等离子体的平均电子密度为2×10~(18) cm~(-3),电子温度为0.11eV,等离子体半径为1.1mm,扩散速度为1.4×10~4 m/s。     

外电极长度对同轴枪放电等离子体特性的影响

同轴枪放电装置能够产生高速度(～100 km/s)、高电子密度(～1016 cm–3)以及高能量密度(～1 MJ/m2)的稠密等离子体,因而在聚变能、天体物理及航空航天等领域得到了广泛关注.通过光电信号的测量以及对输运过程中等离子体时空演化过程的观察,本文主要对比分析了不同长度外电极下的同轴枪放电等离子体特性.外电极长度的增加,带来了喷射等离子体电子密度、发光强度的降低以及轴向速度、准直性与输运距离的显著提高,而由箍缩效应所形成的等离子体柱在放电过程中对中心电极的延长作用则是引起长短外电极同轴枪中等离子体参数差异的主要原因.延长的中心电极一方面与长外电极在轴向长度上得以匹配,使等离子体在枪内能够获得更长的加速时间,进而提高其喷射速度;另一方面则会造成带电粒子的大量损耗以及更高的碰撞复合损失,导致等离子体电子密度与发光强度的降低.等离子体的轴向动能直接影响着其喷出后的传播距离,而喷口处等离子体的扩散角则主要受电子密度与径向洛伦兹力的约束,二者共同决定了等离子体的准直性及输运衰减特性.     

大气压等离子体针产生空气均匀放电特性研究

大气压空气放电由于脱离了真空装置,易于实现流水线生产,因而在工业上具有广泛的应用. 采用等离子体针装置在空气中产生了稳定的大气压均匀放电. 利用光谱法对等离子体的相关参数进行了空间分辨率测量,并通过光学方法对放电机理进行了研究. 结果表明,等离子体针产生的放电存在电晕放电和等离子体羽放电两种模式. 在稳定的等离子体羽放电模式中,发光分为强光区和弱光区. 弱光区放电的发展速度远大于强光区的发展速度,电子能量和电子密度均是弱光区比强光区大. 对均匀放电的气体温度和振动温度的研究表明,强光区放电遵循汤生击穿机理而弱光区为流光放电. 这些结果对大气压空气放电的工业应用具有重要意义. 关键词： 大气压均匀放电 等离子体针 发射光谱 放电机理     

棒-环电极大气压等离子体射流的光谱特性

通过设计新型的交流电压激励的氩气等离子体射流,在棒电极的上游与下游区域均产生了大气压非平衡态等离子体羽。该射流与平行场射流和交叉场射流不同,它的电场与气流方向的夹角可以在一定范围内变化。结果表明,随着外加电压或夹角的增加,上游羽的长度增加而下游羽的长度减小。利用光学和电学的方法,研究发现随着外加电压的增加,上下游放电脉冲的个数均增加。利用放电的光学发射谱,发现上游羽有Ar和OH的谱线,而下游羽除了Ar和OH的谱线外,还可以观察到N₂的谱线。并且下游羽的谱线强度比上游羽的略高。基于碰撞辐射模型,通过谱线强度比的方法研究了上下游羽的电子密度和电子激发温度。结果表明上下游羽的电子密度随着外加电压的增加而增加。上下游羽的电子激发温度也随着外加电压的增加而增加。并且,在同一外加电压时下游羽的电子密度和电子激发温度均比上游羽的高。此外,利用OH发射光谱研究了上下游羽的气体温度,发现下游羽的气体温度也比上游羽的略高。     

Expansion dynamics of atmospheric pressure helium plasma jet in ambient air

In this work, the expansion dynamics of a helium plasma jet in ambient air is examined. By using a fast imaging technique, the expansion of plasma jet from glass nozzle to air is captured which is in the form of plasma bullet propagating into the air. To understand the plasma bullet travel path from glass nozzle to plasma jet tip a drag force model is used. Moreover, the spatial variation of plasma density along the plasma jet length is estimated using drift velocity, plasma jet current and the cross-sectional area of the plasma jet. It is observed that the slight increase in plasma density is due to the combined effect of reduction of drift velocity, plasma jet current, and jet cross-sectional area. The obtained plasma density from glass nozzle to jet tip is in the range of (0.069-5.96) × 10¹² cm⁻³. The above parameters can be of the essence in biological and industrial applications.     

爆炸气泡与自由水面相互作用动力学研究

为探究爆炸水幕形态与水下流场变化之间的联系,设计了小当量RDX装药水箱内爆炸实验系统.采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态的演变过程,获得了三种典型气泡形态和六种典型水幕形态.通过观察气泡-水面-空气之间的流场变化和理论分析,揭示了六种形态水幕的演变规律及其形成机理,并与电火花形成气泡实验结果进行了对比分析.通过对不同比例深度条件下的气泡横向半径、纵向半径、膨胀时间、脉动周期、气泡边界运动过程等的统计分析,揭示了近水面水下爆炸形成气泡的动力学过程.     

Structure of an extended plasma jet in a vacuum arc in an axial magnetic field

The motion, heating, and ionization of a plasma in a ring anode vacuum arc in an axial magnetic field are studied using a quasi-one-dimensional MHD model. The region between the cathode and anode (a current-carrying plasma jet), as well as the region behind the anode (a current-free plasma jet), is considered. It is shown that, over a long portion of a current-free plasma jet, the electron density and temperature remain high and the ion charge increases substantially due to electron-impact ionization.     

光谱方法研究大气压氩气等离子体喷枪的放电特性

利用同轴介质阻挡放电喷枪,通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。等离子体羽沿气流方向较为均匀,但在喷嘴处为白色且亮度较高,远离喷嘴处为蓝色,亮度较低。研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、驱动频率和气体流速的关系,气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大,而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。当气流保持恒定时,等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响,对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲,而负半周期没有发光信号。同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲,负半周期有一个发光脉冲。通过对该N₂现象的分析,为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱,研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N₂的发射谱线外,其发射光谱没有明显差别。利用光学发射谱N+₂第一负带系,对等离子体羽转动温度进行了测量,发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低,且转动温度随电压幅值的增大而增大。     

Plasma generation for the plasma cutting process

This study is an attempt to estimate the overall properties, viz. the thermal power and force, of an intense plasma jet produced by a plasma cutting torch, and to relate the properties of the plasma to the diameter of the nozzle of the plasma torch and the flow rate of plasma-forming gas. For cutting metallic plates using a thermal plasma, a narrow plasma jet is produced by means of a transferred electric are between an electrode in a plasma torch and the material to be cut. The power density and pressure exerted by the plasma jet on the material at the region of cut needs to be high so that a straight cut, without dress at the bottom of the plate, can be obtained. A simple theory to describe the behavior of the arc in a plasma cutting torch has been developed to predict the are radius, pressure, and arc voltage at the nozzle exit as a function of are current for a range of nozzle sizes and air flow rates. The results obtained are in good agreement with the measured values for an air plasma cutting torch nominally rated for 100-A operation. The relationships between the mass flow rate of plasma gas, plasma power, and arc force have been discussed in the light of design of plasma torches for plasma cutting     

大直径射流的放电特性及其等离子体参数和活性粒子分布的光谱诊断

大气压等离子体射流因其产生的等离子体羽富含活性粒子而在废水净化、元素探测、材料处理等方面具有良好的应用前景。通常等离子体羽的直径较小,限制了其工作效率。针对于此,利用交流电压激励大气压氩气等离子体射流,产生了直径约为14 mm的大尺度均匀等离子体羽。采用发射光谱法对电子密度和氧原子浓度随不同实验参数的变化关系进行了研究。光电测量结果表明,当外加电压峰值或氩气流量增加时,等离子体羽发光亮度增加。当电压峰值较低时,等离子体羽的上下游在电压的每个周期均有两个光脉冲信号,且上游光信号强度比下游的大。随着电压峰值增大,上下游等离子体羽的光信号强度都增大。当电压峰值较高时,上下游等离子体羽的光信号在每个电压周期呈现三个放电脉冲。不论每个电压周期放电脉冲数目多少,上下游等离子体羽的发光信号均具有同步性。利用光谱仪采集了300～800 nm范围内上下游等离子体羽的发射光谱,发现它们中均含有OH和N₂的谱线及ArⅠ和OⅠ谱线。其中,上游等离子体羽的ArⅠ谱线强度比下游的大,但OH和N₂的谱线强度比下游的小。利用谱线强度比对上、下游等离子体羽的电子密度进行了研究。结果表明,上游等离子体羽的电子密度在1014 cm-3量级,高于下游羽的电子密度（1013～1014 cm-3量级）。并且,上游和下游等离子体羽的电子密度均随外加电压峰值的升高而增加,随氩气流量的增加而增加。利用光化线强度法,研究了下游羽中氧原子浓度随实验参数的变化规律。结果表明,氧原子浓度沿气流方向降低;对于一个等离子体羽,平均而言氧原子浓度随外加电压峰值升高而增加,随氩气流量增加而增加。对于以上实验现象,利用气体放电的基本理论进行了定性解释。     

二次曝光全息术对微波等离子体推进器羽流的诊断及计算机模拟

二次曝光全息术是诊断等离子体电子数密度的一个有效测量方法,具有非接触式测量及不受等离子体发光干扰等优点.根据阿贝尔变换公式,通过计算机应用matlab程序数值模拟了各种不同电子数密度状态下的等离子体干涉图.同时拍摄了航天器中微波等离子体推进器羽流的二次曝光全息图,再现了不同状态下的干涉图样.通过分析和对比两次干涉图,得出了羽流的电子数密度.     

Phenomenological model of the unstable stage of a vacuum spark discharge

A model of the unstable stage of a spark discharge in vacuum is proposed, which describes all typical manifestations of this stage, including current spikes in the diode, an increase in the potential at the cathode flame front, collective acceleration of ions in vacuum and plasma diodes, change in the cathode erosion mechanism, and the emergence of electron microbeams with a high current density at the anode. It is shown that these processes are associated with the formation of a charged electron layer of a spatially inhomogeneous plasma at the cathode flame boundary at the unstable stage of the spark discharge in vacuum. The emergence of this layer is associated with a limited emissive ability of the plasma at the cathode flame front during its expansion in vacuum. This leads to disruption of the plasma (field-induced emission of electron from the boundary region of the flame) and the formation of a short-lived charged plasma, viz., high-density ion cluster at the cathode flame boundary. The estimates obtained using this model are in good agreement with the experimental data on physical processes at the unstable stage of a vacuum spark discharge.     

大气压直流激励空气等离子体羽发光的时空演化

在针-针电极结构的放电装置中以环境空气作为工作气体,大气压下产生了刷形等离子体羽。尽管使用的是直流电源,但放电发光呈现出脉冲性质,发光脉冲频率几乎不受气体流速的影响,但与电源输出功率成正相关关系。等离子体羽的长度与气体流速或者电源功率成正相关关系。通道出口附近,777.4 nm的氧原子谱线强度分布是非对称的,阴极附近处的谱线强度高于阳极附近处的谱线强度。远离通道出口位置,谱线强度逐渐趋于轴对称分布。电学特性和10 μs曝光高速影像结果表明,空气等离子体羽实际上是由拱形放电丝在远离通道出口的运动过程中叠加而成,同时放电从弧光放电丝向均匀辉光放电转化。