超長射流等離子體在介質(zhì)管內(nèi)的傳播機制

李永輝， 董麗芳， 甘延標(biāo)

(1. 北華航天工業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)部, 河北 廊坊　065000；　2. 河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 河北 保定　071002)

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超長射流等離子體在介質(zhì)管內(nèi)的傳播機制

李永輝1*， 董麗芳2， 甘延標(biāo)1

(1. 北華航天工業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)部, 河北 廊坊065000；2. 河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 河北 保定071002)

利用交流驅(qū)動的單針射流等離子體裝置，在介質(zhì)管內(nèi)產(chǎn)生了可以沿著介質(zhì)管任意彎曲的超長射流等離子體，且可以噴射到介質(zhì)管外的空氣當(dāng)中。利用高速相機對介質(zhì)管內(nèi)等離子體的傳播過程進行拍照，研究了這種超長等離子體在介質(zhì)管內(nèi)的傳播機制。研究發(fā)現(xiàn)，該裝置在大氣壓下產(chǎn)生的等離子體長度可以達到約85 cm。在外加電壓的正、負半周期，介質(zhì)管內(nèi)的等離子體具有不同的形貌和傳播機制。正半周等離子體是以 “等離子子彈”的方式向前傳播，而負半周是以連續(xù)模式向前傳播。分析發(fā)現(xiàn)，放電形成的空間電荷與介質(zhì)管壁上的壁電荷之間形成的電場，是影響介質(zhì)管內(nèi)等離子體傳播的主要因素。

射流等離子體； 單針放電； 等離子子彈

1　引　　言

大氣壓下非平衡等離子體因為不需要昂貴的真空設(shè)備，近年來引起了人們的廣泛關(guān)注[1-5]。射流放電是產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體的重要方法。射流放電可以將放電產(chǎn)生的等離子體直接噴射到外界空氣中，這樣就擺脫了放電結(jié)構(gòu)的限制，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[6-11]。但是由于大氣壓下氣體擊穿電壓高，而且由于氣體的擴散，大氣壓下射流等離子體長度一般只有幾個厘米，如何在大氣壓下產(chǎn)生大體積的等離子體成為目前研究的重要課題。介質(zhì)管內(nèi)的放電[12-15]可以減少氣體的擴散，降低放電電壓，因此在介質(zhì)管內(nèi)容易產(chǎn)生大體積的等離子體。Li Shouzhe等[14-15]在玻璃管內(nèi)得到了63 cm長的弧光等離子體， Li Xuechen等[16]在噴槍放電的上行區(qū)的塑料軟管內(nèi)也得到了超長的等離子體， 另外Pointu[17]、Yoshiki[18]等利用絕緣管內(nèi)等離子體進行了殺菌以及沉積薄膜的研究。以往大部分研究者產(chǎn)生的超長等離子體都是封閉在絕緣管內(nèi)部，而不能噴射到外界大氣當(dāng)中。本工作利用介質(zhì)管產(chǎn)生的射流等離子體達到了約1 m的長度，等離子體傳播方向可以沿著介質(zhì)管任意彎曲，并且能夠噴射到外界空氣當(dāng)中，這對于等離子體輸運有著重要意義。

射流等離子體一般認為是在外加電場驅(qū)動下以“等離子子彈”的模式向前傳播。但是射流等離子體在絕緣管內(nèi)的傳播遠遠偏離了外加電場的方向，甚至與外加電場反向，這說明介質(zhì)管內(nèi)的射流等離子體并不是完全依靠外加電場的驅(qū)動。Hong等[12-13]用圓柱電容器的模型對介質(zhì)管內(nèi)的等離子體長度進行了分析，指出介質(zhì)管電容越大，絕緣管內(nèi)等離子體越長。Li Shouzhe等[14-15]指出沉積在介質(zhì)管壁的電荷才是形成超長等離子體的原因。Li Xuechen等[16]利用光電倍增管研究了絕緣管內(nèi)上行區(qū)放電等離子體的傳播，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的等離子體是以“等離子子彈”的方式傳播，但是沒有給出直觀的傳播圖像,而且只是對上行區(qū)的等離子體進行了研究。以上研究者主要是對封閉絕緣管內(nèi)的情況進行了研究，而不是噴射到外界大氣中的情況。弄清楚在開放環(huán)境下超長等離子體在介質(zhì)管內(nèi)的產(chǎn)生和傳播機制對于大規(guī)模等離子體的產(chǎn)生和輸運具有重要意義。本工作利用介質(zhì)管內(nèi)等離子體的光信號以及高速相機拍攝的傳播圖像對這種超長等離子體的傳播機制進行了研究。

2　實驗裝置

圖1為實驗裝置示意圖。實驗裝置的主體是一支醫(yī)用7號注射針頭(內(nèi)徑0.7 mm、外徑1.0 mm的不銹鋼空心針)，針頭外套一根塑料輸液軟管或85 cm長的玻璃管(內(nèi)徑3.5 mm、外徑5.5 mm)，針頭與玻璃管之間密封。不銹鋼針管與交流高壓電源(輸出電壓幅值0～15 kV可調(diào)，頻率45 kHz)輸出端連接。工作氣體為氬氣，氬氣通過流量控制計從空心針流入介質(zhì)管中，在介質(zhì)管中放電形成等離子體。電源輸出電壓通過高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)分壓后接入示波器(Agilent, DSO6054A, 500 MHz)測量記錄。放電光信號利用光電倍增管(濱松H7826)測量，并連接示波器顯示記錄。放電等離子體的發(fā)射光譜利用光譜儀(Acton 2750，狹縫寬度50 μm，光柵300 G/mm)采集，并連接電腦記錄。放電圖像利用高速相機(ICCD:HSFC Pro)拍攝，并連接電腦存儲。

圖1　實驗裝置示意圖

3　實驗結(jié)果與討論

3.1放電光信號與放電照片

首先，我們在針管外套了一根醫(yī)用輸液塑料軟管，通入氬氣。隨著電壓的升高，在塑料管內(nèi)就會產(chǎn)生幾十厘米長的等離子體，而且等離子體可以沿著塑料管的彎曲方向任意傳播，如圖2所示。可見利用本裝置在大氣壓下的介質(zhì)管內(nèi)可以產(chǎn)生超長的等離子體，并且等離子體可以沿著介質(zhì)管的彎曲方向任意傳播，這對于等離子體的輸運具有重要意義。為了便于實驗測量，我們研究了直玻璃管中的放電。調(diào)節(jié)氣體流量為1 L/min，升高電壓到7.8 kV，玻璃管中有等離子體產(chǎn)生。在沒有玻璃管時，該流量下產(chǎn)生等離子體的最低電壓為10.9 kV。可見套上玻璃管之后，放電起始電壓明顯降低。隨著電壓的升高，玻璃管中等離子體長度逐漸增加。當(dāng)電壓增加到14 kV時，等離子體長度增加到85 cm并且從玻璃管口噴出，如圖3所示。

圖2單針射流等離子體在塑料輸液管內(nèi)傳播的照片,數(shù)碼相機拍攝，曝光時間1/8 s。

Fig.2Image of single needle discharge in dielectric tube taken by digital camera with exposure time 1/8 s

圖3單針射流等離子體在玻璃管內(nèi)傳播的照片。玻璃管長85 cm，外加電壓14 kV。

Fig.3Image of single needle plasma jet in the glass tube. The length of tube is 85 cm and the applied voltage is 14 kV.

為了方便拍照以及光譜采集，我們降低電壓使玻璃管中等離子體長度縮減到10 cm，此時外加電壓與光電倍增管信號如圖4所示。從放電光信號可以看出，光信號在外加電壓正負半周各有一個明顯脈沖，正半周脈沖寬度約為4 μs，負半周脈沖寬度約為6 μs。這與沒有介質(zhì)管情況下的放電光信號有明顯區(qū)別。在沒有介質(zhì)管的情況下，負半周只有微弱的放電，而正半周放電明顯，但是正半周放電時間只有幾百納秒[19]。為了弄清介質(zhì)管內(nèi)正負半周放電的傳播機制，我們利用高速相機分別對正負半周放電圖像進行了拍攝，如圖5所示。正、負半周放電照片的曝光時間都為5 μs，拍攝的起始時刻為正、負半周放電的開始時刻，如圖4中所示，a、b兩點分別為正負半周放電的起始電壓。從圖5可以看出，正半周放電形成的等離子體長度比負半周放電長，而且正負半周放電有一個共同的特點：放電并不是沿著絕緣管水平向前傳播，而是略有彎曲。

圖4外加電壓幅值為10 kV時的外加電壓波形和等離子體發(fā)光信號

Fig.4Waveforms of applied voltage and optical signal of discharge plasma with the applied voltage of 10 kV

圖5高速相機拍攝的正負半周等離子體照片，曝光時間5 μs。上層為正半周放電圖像，下層為負半周放電圖像。

Fig.5Images of positive and negative half cycle discharges taken by ICCD camera with exposure time of 5 μs. The upside image of positive half cycle discharge, the bottom image of negative half cycle discharge.

3.2正、負半周放電等離子體在介質(zhì)管內(nèi)傳播過程

為了進一步弄清介質(zhì)管中等離子體的傳播機制，我們對正負半周的放電進行了更為細致的拍攝。我們利用高速相機，拍攝了正、負半周放電的發(fā)展過程，如圖6、圖7所示。圖6展示了在外加電壓正半周時的介質(zhì)管內(nèi)等離子體的發(fā)展過程。從圖6(a)～(e)可以看出，隨著電壓的增加，在介質(zhì)管內(nèi)產(chǎn)生了等離子體。電壓繼續(xù)升高，等離子體向前發(fā)展，長度達到3 cm，等離子體在此階段的向前發(fā)展速度約為3.0×106cm/s。從圖中可以看出：在開始階段，等離子體沿著玻璃管中心向前發(fā)展，沒有發(fā)生彎曲。隨著電壓的繼續(xù)升高，到達圖6(f)所示時刻，等離子體頭部放電開始熄滅，但同時在熄滅位置產(chǎn)生一個繼續(xù)向前發(fā)展的“等離子子彈”，這個新產(chǎn)生的“等離子子彈”向著管壁方向略有彎曲，這與沒有介質(zhì)管情況下，其他研究者拍攝到的球狀“等離子子彈”略有區(qū)別。從圖6(g)～(m)可以看出,隨著時間的推移，新形成的“等離子子彈”繼續(xù)向前傳播，從圖中可以計算出“等離子子彈”的傳播速度約為5×106cm/s。另外從圖6中可以看出，隨著等離子體子彈的向前傳播，初始形成的等離子體開始熄滅，熄滅位置發(fā)生在3 cm處，也就是“等離子子彈”形成的位置，可見初始等離子體的熄滅并不是在針尖電極附近發(fā)生。圖7為負半周等離子體發(fā)展過程，從圖7中可以看出負半周放電形成的等離子體與正半周有明顯區(qū)別。隨著外加電壓的升高，負半周初始的放電通道形成。隨著電壓的繼續(xù)升高，放電通道也逐漸增長，等離子體長度可以達到約7 cm，如圖7(h)所示。從圖中可以計算負半周等離子體的發(fā)展速度約為1.5×106cm/s。另外從負半周放電圖像可以看出，隨著遠離針尖，放電通道向前傳播過程中稍有彎曲，并且通道直徑略有增加。到達圖7(i) 后，放電通道開始在針尖電極附近熄滅，熄滅部分逐漸向著遠離針尖方向發(fā)展，但是針尖電極位置的放電一直沒有熄滅。比較圖6和圖7可見，正半周的等離子體長度比負半周要長，正半周隨著初始放電通道的熄滅，會產(chǎn)生“等離子子彈”向前傳播，而負半周產(chǎn)生了連續(xù)向前發(fā)展的等離子體。另外，正負半周放電的熄滅位置也有不同，正半周放電熄滅位置在放電通道的中部，而負半周放電熄滅發(fā)生在針尖電極附近。

圖6高速相機拍攝正半周等離子體發(fā)展過程，曝光時間100 ns，每張照片間隔200 ns。

Fig.6Images of the propagation of positive half cycle discharge taken by ICCD with the exposure time of 100 ns and the interval between two image of 200 ns

圖7高速相機拍攝負半周等離子體發(fā)展過程，每張照片曝光100 ns,間隔300 ns。

Fig.7Images of the propagation of negative half cycle discharge taken by ICCD with the exposure time of 100 ns and the interval between two image of 300 ns

圖8　正半周放電，玻璃管內(nèi)電荷分布示意圖。

本裝置產(chǎn)生的等離子體可以沿著介質(zhì)管的彎曲方向任意傳播，甚至與外加電場方向相反，這說明外加電場并不是主要驅(qū)動因素，因此我們對介質(zhì)管內(nèi)的空間電荷和介質(zhì)管上的壁電荷進行了分析。在外加電壓的正半周，此時針尖為陽極，隨著電壓升高，針尖周圍的氣體被電離，電子在陽極針尖的吸引下，會向針尖移動，被金屬針尖吸收；正離子由于質(zhì)量較大，基本保持位置不變，形成空間正電荷。空間正電荷形成的附加電場與外加電場同向，促進了放電的產(chǎn)生與發(fā)展，如圖8所示。如果沒有玻璃管，隨著遠離針尖，外加電場逐漸減弱，放電形成的等離子體不能持續(xù)向前發(fā)展。本套裝置在沒有玻璃管的情況下形成的等離子體長度只有約3 cm。針尖外套上玻璃管之后，當(dāng)針尖為陽極時，隨著電壓增加，玻璃管內(nèi)壁上會有負的感應(yīng)電荷出現(xiàn)。初始放電形成的空間正電荷與管壁上感應(yīng)負電荷之間形成新的附加電場，附加電場促使“等離子子彈”的形成和向前傳播。“等離子子彈”在管內(nèi)傳播過程中，由于管壁上電荷對于空間電荷的吸引作用，導(dǎo)致絕緣管內(nèi)的“等離子子彈”會向管壁彎曲。在外加電壓的負半周，針尖為陰極，隨著電壓升高，針尖附近的氣體被電離。電離之后，電子要遠離針尖移動，帶正電的離子由于質(zhì)量較大，形成空間正電荷。當(dāng)針尖為陰極時，在玻璃管內(nèi)壁上會出現(xiàn)感應(yīng)正電荷，初始放電形成的空間正電荷與絕緣管壁上的感應(yīng)正電荷之間形成的電場相互抵消，這就導(dǎo)致負半周放電等離子體長度短，而且向前傳播過程中不能形成“等離子子彈”。但是由于玻璃管的存在，工作氣體在管內(nèi)的擴散要比空氣中小得多，所以正負半周的放電起始電壓明顯降低，放電形成的等離子體在絕緣管中的長度都要比在空氣中放電形成的等離子體長度長很多。

4　結(jié)　　論

利用單針放電裝置，在開放大氣環(huán)境下的介質(zhì)管內(nèi)得到了超長的射流等離子體。通過對正負半周的等離子體傳播過程研究，發(fā)現(xiàn)正負半周的等離子體在介質(zhì)管內(nèi)具有不同的形貌和傳播機制。在外加電壓的正半周，介質(zhì)管內(nèi)等離子體以“等離子子彈”的形式向前傳播，而負半周形成的等離子體則是以連續(xù)模式向前傳播。通過分析，發(fā)現(xiàn)放電過程中形成的空間電荷和介質(zhì)管上的壁電荷之間形成的附加電場是影響介質(zhì)管內(nèi)等離子體傳播的主要因素。本工作對于產(chǎn)生大規(guī)模等離子體以及等離子體的遠距離傳輸有一定的借鑒意義。

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李永輝(1978-)，男，河北定州人，博士，講師，2015年于河北大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事放電等離子體光譜診斷方面的研究。

E-mail: liy_hui@163.com

Propagation Mechanism of Super Long Plasma Jet in The Dielectric Tube

LI Yong-hui1*, DONG Li-fang2, GAN Yan-biao1

(1.DepartmentofBasicScience,NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering,Langfang065000,China;2.CollegeofPhysicsScienceandTechnology,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:liy_hui@163.com

Using an alternating-current driving single needle jet plasma device, we produce a super long plasma jet (SLPJ) in the dielectric tube. The super long plasma jet (SLPJ) can be arbitrarily curved along the tube and can be sprayed into the air outside the tube. Photographing the propagation process of the SLPJ in the tube helps in understanding the corresponding transmission mechanism. It is found that, under normal atmospheric pressure, the SLPJ can reach about 85 cm, and owns different morphologies and transmission mechanisms during the negative and the positive half cycles. During the positive half cycle, the SLPJ spreads forward through the way of “plasma bullet”, while through the continuous model in the negative half cycle. Analysis reveals that, the electric field, produced by the space charge due to discharge and wall charge on the dielectric tube wall, is the main reason that influences the transmission mechanism.

plasma jet; single needle discharge; plasma bullet

1000-7032(2016)05-0597-06

2015-12-31；

2016-01-23

國家自然科學(xué)基金(11175054，11375051); 北華航天工業(yè)學(xué)院博士基金(BKY-2015-05,BKY-2014-10); 河北省人才工程培養(yǎng)經(jīng)費資助課題(A201500111)資助項目

O461.2

A

10.3788/fgxb20163705.0597