大气压非平衡等离子体射流管外导体机制

从上述研究结果可以看出，管外的悬浮导体对主等离子体射流有抑制作用。导体覆盖的面积越大、管壁越薄，对等离子体射流的抑制作用越强。通过测量发现导体上的由于主射流产生的电势最高可达6kV以上。另一方面，在管外导体的下游端会产生一个二次等离子体射流。较高的外加电压或者气流速度都会使二次射流的长度更长。

图2.6.11　等离子体推进过程的电场分布示意图和等效电路[25]

（a）电场分布示意图；（b）等效电路图

为了对上述所观测到的现象进行解释，图2.6.11（a）给出了等离子体射流在管内产生和推进过程中的物理图像。为了方便描述，针电极的针尖、主等离子体子弹及锡箔右端点三个位置分别标记为P1、P2、P3。在等离子体射流中，等离子体子弹后的暗通道有一定的导电性，电场可以通过暗通道传导到等离子体子弹的头部。因此，P1和P2之间的暗通道可以等效为一个电阻R1，P2与P3之间的氦气流等效为一个电容器C1，管内的等离子体、管外的锡箔和管壁构成电容器C2的两个电极板和电介质，P3与地面之间的空气相当于一个电容C3，电容器C1和C2并联，然后与R1和C3串联。基于此，建立了对应的等效电路模型，如图2.6.11（b）所示。由于C1和C3都是气体的等效电容，所以它们的电容值比C2小得多。根据电路理论，电压主要降落在C3两端，P2和P3之间的电压差比较小。同时，电流大部分通过C2而非C1。(www.xing528.com)

在电极上施加高电压时，产生主等离子体射流。根据2.6.11（a）所示，高压通过暗通道传导到等离子体子弹的头部。在主等离子体子弹进入锡箔覆盖的区域之前，它像普通等离子体子弹一样推进。当它进入锡箔覆盖区域时，电场分布发生了变化。在电场径向分量的作用下，暗通道中的正电荷在管道内壁上快速聚集。相应地，负电荷通过锡箔在管的外壁上积聚，电容器C2充电。由于C2的电容值相对较大，所以大部分的电场线都是通过这个电容传导到锡箔的右端。

根据电容的计算公式C=εS/4πkd，影响电容的因素有三个：介电常数ε、面积S，以及电极之间的距离d。当等离子体子弹进入锡箔覆盖区域时，暗通道与锡箔的有效面积增大。因此，C2的电容值也随之快速增大。这就是为什么等离子体子弹在进入锡箔覆盖的区域后变得越来越弱的原因。增加管外锡箔的面积也会增加C2。这与图2.6.7所示的结果相吻合。另一方面，管壁厚度的减小也会导致C2的电容值增大，这解释了图2.6.8所示的结果。

电场线从针电极开始，经过暗通道和电容C2，在P3处形成强电场。同时，图2.6.9和图2.6.10给出了气体流量对二次射流的影响。二次射流的长度随氦气流速的增加而增大。当气体流量低于25mL/min时，不产生二次等离子体。这表明主等离子体射流产生的活性粒子起着重要的作用。主等离子体射流末端到二次等离子体射流起点的距离为4cm，当气体流量为700mL/min时，气体通过这个距离所需时间约为20ms。因此，这些起作用的活性粒子的寿命必须至少在20ms的量级。在强电场和相对高密度的活性粒子共同作用下，产生了二次射流。