电压极性对大气压非平衡等离子体射流的影响

电压脉冲的极性是影响N-APPJ长度的另一个重要因素。下面讨论正脉冲和负脉冲对N-APPJ长度的影响[5]。对于正脉冲，其电压峰值为+8kV；对于负脉冲，其电压峰值为-8kV。脉冲宽度和脉冲重复频率相同，分别为800 ns和8kHz。气体流速为2L/min。放电的电压电流波形如图2.2.14所示。

根据高速ICCD照片发现，决定N-APPJ长度的是较强的初次放电而非较弱的二次放电。因此，这里也主要关注初次放电。如图2.2.14所示，对于正脉冲来说，初次放电是电压上升沿引发的放电，而负脉冲的初次放电则是由电压下降沿引起的。图2.2.15给出了正、负脉冲时所得的等离子体的照片。对于正脉冲，射流长度约为3cm；而负脉冲射流的长度仅为1.4cm。

图2.2.14　正脉冲和负脉冲射流的电压、电流波形[5]

（a）正脉冲射流电特性；（b）负脉冲射流电特性

图2.2.15　正脉冲和负脉冲射流照片[5]

（a）正脉冲射流照片；（b）负脉冲射流照片

下面采用ICCD拍摄了N-APPJ的推进过程。从图2.2.16和图2.2.17可以看出，正脉冲射流和负脉冲射流在出喷嘴之前都以“子弹”形式传播，但二者的形状有所不同。正脉冲驱动时，“子弹”的头部是半圆形；而负脉冲驱动时，其头部为剑形。

图2.2.18和图2.2.19进一步给出了正、负脉冲射流的推进速度。结果表明，在等离子体出喷嘴前，两者的推进速度相差不大，而且保持不变，正脉冲约为30km/s，负脉冲约为35km/s。等离子体出喷嘴后都出现一个加速过程，正脉冲射流的峰值速度约为150km/s，而负脉冲射流的峰值速度约为70km/s。

图2.2.16　正脉冲射流的动态过程[5]

曝光时间5ns，标签上的时间与图2.2.14（a）一致

图2.2.17　负脉冲射流的动态过程[5]

曝光时间5ns，标签上的时间与图2.2.14（b）一致(www.xing528.com)

图2.2.18　正脉冲射流的推进速度随时间的变化情况[5]

时间与图2.2.14（a）一致

图2.2.19　负脉冲射流的推进速度随时间的变化情况[5]

时间与图2.2.14（b）一致

正脉冲射流和负脉冲射流的发射光谱在出喷嘴之前差异并不大。但出喷嘴之后二者出现了明显的区别。从图2.2.20和图2.2.21可以看出，负脉冲的发射光谱强度要显著低于正脉冲的情况。

图2.2.20　正脉冲射流的发射光谱[5]

（a）喷嘴内光谱250～500nm；（b）喷嘴内光谱500～800nm；（c）距喷嘴5mm光谱250～500nm；（d）距喷嘴5mm光谱500～800nm

图2.2.21　负脉冲射流的发射光谱[5]

（a）喷嘴内光谱250～500nm；（b）喷嘴内光谱500～800nm；（c）距喷嘴5mm光谱250～500nm；（d）距喷嘴5mm光谱500～800nm

上面讨论的N-APPJ的推进速度都远高于其气体流动速度，因此它们都是由电场驱动的。对于正极性放电，其电场的轴向分量指向等离子体子弹方向，电子在电场的作用下从子弹头部向高压电极运动，子弹头部和电极间的暗通道内的电子密度和电导率保持在较高的水平。而对负极性放电来说，子弹头部的电子会在电场的作用下向前迁移，留下运动速度较慢的正离子，它加强了子弹头部与电极之间的电场，因此电子温度较高，这也是为什么负极性放电时子弹头部与电极间亮度不是很弱的原因。