脉冲电压上升沿时间影响

下面采用如图2.2.22所示的实验装置对脉冲电压上升沿时间对射流长度的影响进行研究[4]。该装置由一根长玻璃管，一根置于管内的金属针和一个置于管外的金属环构成。玻璃管内径0.8mm，外径2mm，长度约10cm。金属针从玻璃管左侧插入，接脉冲直流电源的高压端作为高压电极，金属环接地作为地电极。针电极的针尖距离金属环左侧约5mm。脉冲直流电源的电压脉冲上升沿时间从100ns～4μs可调。这里主要关注脉冲电压上升沿时间对等离子体的影响，脉宽和重复频率分别固定为5μs和5kHz。玻璃管内通入工作气体氩气。由于玻璃管足够长，因此N-APPJ全部在玻璃管内，从而排除了周围空气扩散对N-APPJ的影响。

图2.2.22　实验装置示意图[6]

图2.2.23给出了对应不同上升沿时间所得的等离子体照片，随着脉冲上升沿时间的缩短，N-APPJ的长度显著增大。当脉冲上升沿时间为3μs时，NAPPJ长度不足20mm；当脉冲上升沿时间缩短到140ns时，N-APPJ长度增加到70mm。由此可见，脉冲上升沿时间会对N-APPJ特性产生显著影响。

图2.2.23　不同脉冲上升沿时间下N-APPJ的照片及长度[6]

（a）3μs；（b）1μs；（c）0.66μs；（d）0.4μs；（e）0.14μs

图2.2.24给出了电压和电流波形。其中的放电电流是减除了位移电流后的真实放电电流。图2.2.24（b）给出了上升沿时间1μs时的电流波形放大后的波形。从图中可以看出此时的电流峰值约为0.5A，持续时间约10ns。从图2.2.25可见，电压脉冲上升沿时间越短，放电电流峰值越大，同时击穿电压也越高。

图2.2.24　电压和电流波形

（a）不同脉冲上升沿时间下N-APPJ放电电压、电流波形；（b）上升沿时间1μs时放电电流波形的放大图[6]

图2.2.25　击穿电压和脉冲电流峰值与脉冲上升沿时间的关系曲线[6]

图2.2.26给出了距离地电极右边10mm处的等离子体发射光谱。从图中可以看出，脉冲上升沿时间越短，氩的谱线更强，包括插入的图中给出的氩的5p-4s跃迁的谱线都更强。

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图2.2.26　脉冲上升沿时间为150ns、820ns和3000ns的N-APPJ发射光谱[6]

利用氩的发射光谱及简单的碰撞辐射模型，可以对等离子体电子温度进行估算。该模型假定氩原子的4个4p能级的原子数取决于电子激发动力学，自发辐射跃迁是激发态原子主要的去激发过程。选择2p2、2p6、2p8、2p94个能级。表2.2.1给出了计算中所用到的谱线和跃迁概率[6]。基态的电子碰撞激发截面数据来自文献[7]。从亚稳态跃迁到4个4p能级的电子碰撞激发截面数据来自文献[8～9]。关于模型的详细描述可以在文献[10]中找到。

表2.2.1　所选择的4个氩原子4p能级的波长及跃迁概率[6]

利用上述方法获得的电子温度如图2.2.27所示。当电压脉冲上升沿时间为140ns时，电子温度约为1.55eV；当上升沿时间增加到4μs时，电子温度下降到1.25eV。这一结果表明更陡的电压脉冲上升沿可产生更高电子温度的等离子体。

图2.2.27　不同电压脉冲上升时间下的电子温度T[6]e

利用ICCD拍摄的不同脉冲上升沿下的放电动态过程如图2.2.28和图2.2.29所示，上升沿时间为140ns的等离子体推进峰值速度和推进距离明显高于上升沿时间为3μs的情况。

图2.2.28　不同脉冲上升沿时间下N-APPJ的动态过程[6]

（a）上升沿140ns动态；（b）上升沿3μs动态。曝光时间为5ns，图上标注的时间与图2.2.24一致

图2.2.29　不同脉冲上升沿时间下等离子体子弹的推进速度随位置变化的曲线，横轴零点对应地电极右侧边缘[6]

从这些研究结果可以发现，当电压脉冲上升沿很短时，其击穿电压明显更高，也就是说，其击穿过程存在显著的过电压。因此其放电拥有更高的峰值电流和电子温度，更多的原子被激发到较高能级。也正是因为其放电电压更高，所以可以支持N-APPJ推进更快、推进距离更远。而更高的电子温度也使NAPPJ拥有更强的化学活性，使其在诸多应用中更具优势。