水中流光放電流光絲的再發光和暫停行為*

王雪 溫小瓊 王麗茹 楊元天 薛曉東

(大連理工大學物理學院,大連 116024)

水中流光放電是研究水中放電基本物理、化學過程的主要研究對象.本文利用四分幅超高速相機、采用針-板電極結構、在20—800 μS/cm 水電導率范圍內研究了水中微秒脈沖流光放電流光絲的再發光和暫停行為,探討了高水電導率下觀測不到流光絲的再發光的原因.結果發現:再發光在不同的流光絲之間交替發生并存在兩種模式:一種為整根絲熄滅后再發光;一種為只有先端部分發光熄滅隨后恢復發光.隨著水電導率的增大,觀測到流光絲的再發光現象的頻度急劇減小,540 μS/cm 水電導率時降到零;在20—800 μS/cm 水電導率條件下都可觀測到流光絲伴生沖擊波串分段現象,沖擊波串分段現象的出現頻度在65%以上,表明在20—800 μS/cm 水電導率條件下流光絲的暫停是一種普遍行為.通過測量兩段沖擊波的半徑差得到流光的暫停時間平均為157 ns,幾乎不受水電導率的影響;隨著水電導率的增大,流光絲的發光強度顯著增大,水電導率大于350 μS/cm 時,流光絲暫停期間內流光絲的光強度無法衰減到相機分辨水平以下,在相機獲得的發光圖像上看上去是持續發光的,難以分辨出流光絲“熄滅-再發光”過程.

1 引言

隨著水中放電等離子體應用研究的不斷深入和擴展[1-5],研究者們越來越感到對水中放電基本物理和化學過程的認識不足[6-8].水中流光放電是研究水中放電基本物理和化學過程的主要研究對象,近年來受到廣泛的關注[9-11].

通常,水中流光放電產生數根流光絲.在低電導率(＜ 100 μS/cm)的水中,利用條紋相機已經發現了流光絲的再發光現象,即:流光絲發光熄滅之后又再次發光,在條紋圖像上表現為黑白交替的條紋[12,13],在放電電流波形上表現為一系列的電流尖峰[12,14].但是,在較高電導率的水中(＞ 400 μS/cm),利用條紋相機觀測不到流光絲的再發光現象[12-14].至今無法解釋為什么較高的水電導率條件下觀測不到流光絲的再發光現象.

水下流光放電伴生沖擊波.過去的研究已經證實沖擊波是從流光頭部發射的[12,15,16],流光絲在水中每前進約160 μm 發射一個沖擊波[16].流光絲在達到最大長度時總共發射數十個獨立的沖擊波,這些沖擊波以流光絲為中心軸形成沖擊波串[12-16].在20 μS/cm 水電導率下同時觀測了流光絲的發光和伴生沖擊波,發現了流光絲的伴生沖擊波圖樣存在分段現象,證明流光絲在水中傳播發展過程中存在長時間的暫停;同時還發現了流光絲暫停期間發光熄滅,恢復傳播時再次發光,表明流光絲的再發光是由流光絲的暫停行為引起的[17].目前尚不清楚在20 μS/cm 以上水電導率條件下流光絲伴生沖擊波圖樣是否也存在分段現象,即是否存在流光絲的暫停行為.

本文的目的是利用四分幅超高速相機在水電導率20—800 μS/cm 范圍內研究水中微秒脈沖流光放電過程中流光絲的再發光和暫停行為,探討為什么在較高的水電導率條件下難以觀測到流光絲的再發光.

2 實驗系統

本研究采用針-板電極結構產生水中流光放電.圖1 是本研究的實驗裝置圖.陽極針尖曲率為30 μm,電極間距為40 mm.基于探討為什么在較高的水電導率條件下難以觀測到流光絲的再發光的目的,實驗在20 到800 μS/cm 水電導率范圍內進行,實驗過程中電壓脈沖的幅值和脈寬分別固定在22 kV 和1.5 μs.用高壓探頭和電流傳感器分別測量放電電壓和電流,并用數字存儲示波器(Yokogawa)記錄波形數據.采用四分幅超高速相機(PCO HSFC-Pro)分別拍攝記錄流光絲發光圖像和流光絲伴生沖擊波陰影圖像,拍攝陰影圖像時采用632.8 nm 氦氖激光做背光,超高速相機和電源之間通過光信號實現同步.圖2 是本研究中的放電電壓、電流波形示例.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1.Experimental setup.

圖2 180 μS/cm 水電導率下的放電電壓和電流波形以及相機快門信號Fig.2.Waveforms of the discharge voltage and current at water conductivity of 180 μS/cm,as well as the camera gating signal.

3 實驗結果

3.1 流光絲的再發光

為了研究不同水電導率下水下流光放電流光絲的再發光特征,脈沖電壓幅值固定在22 kV,分別在水電導率20,60,180,540 和800 μS/cm 的條件下拍攝了水下流光放電的時間演化發光圖像.針對同一放電脈沖,利用四分幅超高速相機連續獲取四幅時間演化圖像.圖3(a)—(c)分別是20,60和180 μS/cm 三個水電導率條件下獲得的典型的連續四幅流光絲的發光圖像,圖3 中每一組圖像的CH1 曝光時間均為100 ns,目的是為了確認水下流光放電的初期階段究竟產生了幾根流光絲,為后續判斷究竟其中的哪一根絲發生了“熄滅-再發光”現象提供依據.如圖3 所示,在實驗中,20,60和180 μS/cm 三個水電導率條件下觀測到了流光絲的再發光現象,但是在540 和800 μS/cm 水電導率的實驗中,沒有觀測到流光絲的再發光現象.因此,在圖3 中沒有展示540 和800 μS/cm 水電導率下的發光圖像.從記錄的流光絲的時間演化發光圖像中,發現流光絲的再發光存在兩種類型:1)流光絲發光整體熄滅之后整體再發光,再發光時流光絲變長且頭部較亮,如圖3 中的a1,a2,b1 和b2,這種類型多見于水電導率60 μS/cm 及以下的流光放電;2)流光絲從頭部向根部熄滅,未等根部完全熄滅頭部再發光,如圖3 中c1,c2,這種類型多見于水電導率180 μS/cm 時.此外,我們還發現放電產生的幾根流光絲當中,再發光現象是交替發生的,其中一根流光絲的再發光熄滅后,另一根流光絲又發光,如圖3(a)中的a1 和a2,圖3(b)中的b1 和b2.流光絲的再發光具有很大的隨機性,由于我們所使用的超高速相機系統針對一個放電脈沖只能拍攝四幅連續的時間演化圖像,在目前的研究中無法通過發光圖像確定流光絲從熄滅到再發光所需的時間.流光絲的再發光所需時間是再發光現象的一個重要的參量,目前所知的文獻中沒有相關數值的報道.

圖3 水下流光放電時間演化圖像 (a)水電導率20 μS/cm,相鄰兩幅圖像的時間間隔為40 ns;(b)水電導率60 μS/cm,相鄰兩幅圖像的時間間隔為40 ns;(c)水電導率180 μS/cm,相鄰兩幅圖像的時間間隔為60 ns.(a)—(c)中CH1 圖像的曝光時間為100 ns,CH2-CH4 圖像的曝光時間為20 ns,圖中所標的時間是相對高壓脈沖起始點的時間Fig.3.Light emission images of underwater streamer discharge:(a)20 μS/cm,40 ns interval;(b)60 μS/cm,40 ns interval;(c)180 μS/cm,60 ns interval.The exposure time of the CH1 image in Figure (a)—(c)is 100 ns,and the exposure time of the CH2-CH4 image is 20 ns.The time marked in the Figure 3 is the time to the start of the high-voltage pulse.

根據記錄的發光圖像統計了可觀測到再發光現象的放電脈沖個數,得到了各個電導率條件下再發光現象出現的頻度.為了比較的方便,再發光現象出現頻度與3.2 節的暫停行為出現頻度的統計結果一起表示在圖5 中.從圖5 可以看出隨著電導率的增大再發光出現的頻度近似地呈指數減小,直到540 μS/cm 水電導率時降到零,即在較高水電導率條件下觀測不到流光絲的再發光現象.

3.2 流光絲的暫停行為

我們在過去的研究中發現了20 μS/cm 水電導率下流光絲傳播過程中的暫停行為[17],其判斷的標記是流光絲伴生沖擊波圖樣分成半徑顯著不同的幾段.為了確認在20 μS/cm 以上更高水電導率條件下流光絲是否也存在暫停行為,采用陰影圖像法,分別在水電導率20,50,200,400,540 和800 μS/cm 的條件下觀測了水下流光放電伴生的沖擊波,確認流光絲伴生沖擊波圖樣是否存在分段現象.

圖4 是各個水電導率條件下獲得的流光放電伴生沖擊波陰影圖像示例.在各個水電導率條件下都觀測到了沖擊波串的分段現象:兩段沖擊波串(圖4 中分別標記為I,II)的半徑存在顯著差異,與我們之前在20 μS/cm 水電導率下[17]觀測到沖擊波分段現象一致,表明在20—800 μS/cm 水電導率范圍內,流光絲在傳播過程中都存在暫停行為.

圖4 流光伴生沖擊波的分段現象 (a)20 μS/cm;(b)50μS/cm;(c)200 μS/cm;(d)400 μS/cm;(e)540 μS/cm;(f)800 μS/cm.圖中所標的時間是相對高壓脈沖起始點的時間Fig.4.The segmentation of shock wave chain:(a)20μS/cm;(b)50 μS/cm;(c)200 μS/cm;(d)400 μS/cm;(e)540 μS/cm;(f)800 μS/cm.The time marked in the figure is the time to the start of the high-voltage pulse.

根據每個水電導率條件下獲得的陰影圖像統計了可觀測到沖擊波圖樣分段現象的放電脈沖個數,得到了各個電導率條件下沖擊波分段現象出現的頻度(即流光絲暫停行為出現的頻度),結果如圖5 所示.從圖5 可以看到:流光放電伴生沖擊波串分段現象的出現頻度在65%以上,表明在20—800 μS/cm 水電導率范圍內沖擊波串分段是一種普遍現象,即流光絲暫停是一種普遍行為.流光絲的再發光是由流光絲的暫停行為引起的[17]:流光絲暫停期間流光絲的發光熄滅,恢復傳播時流光絲又再發光.因此,可以認為在20—800 μS/cm水電導率范圍內流光絲的再發光是一種普遍現象.但是,圖5 的再發光出現頻度的統計結果顯示:在較高水電導率條件下觀測不到流光絲的再發光現象.我們將在下一節中探討其中的原因.

圖5 各種水電導率下流光絲的再發光和沖擊波串分段出現頻度Fig.5.Appearance rate of the re-illumination and segmentation in shockwave pattern of the streamer filament at different water conductivity.

根據兩段沖擊波串的半徑差可以估算兩段流光絲之間的暫停時間[17]:其中RI和RII分別為兩段沖擊波串的半徑;C0為水中聲速(1450 m/s).從實驗獲得的沖擊波陰影圖像測定了兩段沖擊波串的半徑,根據(1)式計算了各個水電導率條件下流光絲的暫停時間,統計得到的平均值如圖6 所示.結果顯示:各個水電導率條件下流光絲的暫停時間在誤差范圍內大致相當,幾乎不受水電導率的影響,總體平均在(157 ± 37)ns.

圖6 不同水電導率條件下流光絲的暫停時間Fig.6.The pause period of the streamer filament at different water conductivity.

4 討論

圖5 中的流光絲伴生沖擊波陰影圖像的觀測結果表明流光絲的暫停行為是流光傳播過程中的普遍行為,流光絲的暫停行為導致流光絲的“熄滅-再發光”[17].但是,圖5 中的流光絲發光圖像的觀測結果表明,隨著水電導率的增加,觀測到流光絲再發光的頻度急劇減小,以致在較高電導率條件下觀測不到流光絲的再發光.

為了探討隨著水電導率增大在發光圖像上觀測到流光絲再發光的頻度急劇減小的物理原因,分析了流光絲從針尖到尾部沿軸向的光強分布.圖7是各個電導率條件下典型的流光絲軸向光強分布,隨著水電導率的增大流光絲的光強大幅度增強.基于圖7 的各水電導率條件下流光絲的發光強度,按照下式推算了流光絲光強衰減到相機分辨水平時所需的時間t:其中I,I0分別為相機的分辨水平和流光絲的光強;λ為光譜線的遷移常數.流光放電發射光譜的主要成分是氫原子Hα譜線[18,19],因此本研究中選用氫原子Hα譜線的遷移率λ=3.44×106/s[20]進行計算.

圖7 不同水電導率下流光絲軸向光強分布Fig.7.Axial distribution of light intensity of the streamer filament at different water conductivity.

圖8 是計算得到的不同水電導率條件下流光絲光強衰減到相機分辨水平所需的時間.結果表明水電導率越大流光絲光強衰減到相機分辨水平所需的時間越長.在20 μS/cm 水電導率下流光絲光強衰減到相機分辨水平所需的時間約為10 ns,與圖6 得到的流光絲的暫停時間157 ns 相比小得多,因此在20 μS/cm 水電導率下流光絲在157 ns 的暫停期間內發光強度迅速衰減到相機分辨水平以下,在發光圖像上表現為熄滅狀態;當結束暫停再次向前延伸發展時流光絲光強度恢復到相機分辨水平以上,在發光圖像上表現為再發光,這樣相機很容易分辨出流光絲的“熄滅-再發光”過程.而在540 μS/cm 水電導率下流光絲光強衰減到相機分辨水平所需的時間約為191 ns,比157 ns 的流光絲暫停時間長,在流光絲暫停期間流光絲光強度雖有衰減但仍然高于相機的分辨水平,在發光圖像上仍然表現為發光狀態,相機觀測不到流光絲的“熄滅-再發光”過程.因此,隨著水電導率增大流光絲發光圖像上觀測到再發光現象的頻度急劇減小的結果可以歸因于:隨著水電導率的增大流光絲發光強度大幅度增大,在流光絲暫停期間內流光絲的光強度無法衰減到相機分辨水平以下,在相機獲得的發光圖像上看上去是持續發光的,難以分辨出流光絲“熄滅-再發光”過程.

圖8 流光絲光強衰減到相機分辨水平所需的時間Fig.8.Time for the light intensity of the streamer filament decaying to the noise level of the camera system.

5 結論

本文利用四分幅超高速相機在20—800 μS/cm水電導率條件下研究了水下微秒脈沖流光放電流光絲的再發光和暫停行為.通過對同一放電脈沖連續拍攝四幅發光圖像,發現隨著水電導率的增大,觀測到流光絲的再發光現象的頻度急劇減小,540 μS/cm 水電導率時降到零,再發光現象在不同的流光絲之間交替發生,并存在兩種模式:一種為整根絲熄滅后再發光;一種為只有先端部分發光熄滅隨后恢復發光.通過觀測流光放電的陰影圖像,發現在20—800 μS/cm 水電導率條件下觀測到沖擊波串分段現象的頻度在65%以上,表明在各種水電導率條件下流光絲在傳播過程中都發生長時間暫停,流光絲的暫停時間平均為(157 ± 37)ns,水電導率幾乎不影響流光絲的暫停時間.通過分析流光絲軸向光強分布發現,隨著水電導率的增大流光絲的光強顯著增大,在流光絲暫停期間(約157 ns),水電導率小于350 μS/cm 時,流光絲光強衰減到相機分辨能力以下,在發光圖像上顯示為熄滅狀態;水電導率大于350 μS/cm 時,在流光絲暫停期間內流光絲的光強度無法衰減到相機分辨水平以下,在相機獲得的發光圖像上看上去是持續發光的,難以分辨出流光絲“熄滅-再發光”過程.