为了单独控制各种因素的影响，这里专门设计了如图2.9.2所示的实验装置。下面将利用该装置来研究气体组分、介质管、空间电荷积累等因素对射流环状结构的影响[56]。其外石英管内径为10 mm，在其右端插入内径为4mm、外径为6mm的细石英管，两石英管同轴放置，内石英管左端距离外石英管右端65mm，距离外石英管左端120mm。在两石英管的中轴线上正对放置两根金属不锈钢针电极，两电极直径约为0.4 mm，二者之间的间隙约27mm。其中右边的电极尖端伸出细石英管左端约8mm。此外，左边电极接脉冲直流高压，右边电极通过一个200kΩ电阻接地。工作气体（氦气、氩气、氪气等）以4L/min的速度通入内石英管，保护气体以2L/min的速度通入外石英管。脉冲电源的输出电压0～10kV可调，频率和脉宽分别固定为4kHz、1μs。当电源输出电压为3kV时，内管和外管中分别通入氦气和空气，在两个针尖之间产生N-APPJ。放电的电压、电流波形如图2.9.3所示。图中的电流波形包含位移电流，真实的放电电流要小得多。
图2.9.2 实验装置示意图[56]
首先来看工作气体与环境气体之间的相互扩散对等离子体子弹环形结构的影响。为了排除喷嘴及导气管壁的影响，装置右边的针电极的针尖伸出内石英管喷嘴，这样介质管和喷嘴就不会对右边的针尖前端的电场造成影响；同时将右边的针电极接地，从而使内石英管内不会发生放电，因此内石英管内壁上也不存在大量的吸附电荷。这样的装置结构从根本上排除了介质管对电场空间分布的影响，从而排除了介质管对等离子体子弹结构可能造成的影响。两层石英管相套的结构能对工作气体和环境气体分别进行控制，内管中通入工作气体，外管中通入环境气体。
图2.9.3 放电的电压、电流波形[56]
需要说明的是，尽管等离子体子弹的环状结构最初是通过ICCD正对NAPPJ观察到的，但是实际上在某些情况下，用肉眼或者普通相机从侧面也是可以观察到这种结构的。比如有些情况下观察到的射流由上、下两根亮线构成，如图2.9.4所示。此时利用ICCD从正对射流的方向观察到等离子体子弹是环形结构。这种两根独立的亮线的结构正是环形结构在侧面表现出的形态。从侧面观察环形结构的N-APPJ时，由于光线在空间上的叠加，所以看起来上下边缘更亮，而中间较暗，从而在照片上显示为上下两条亮线。由于这一特点，在研究N-APPJ的环状结构时，只需要借助肉眼或者普通相机从侧面观察就可以了，从而省略了ICCD及复杂的光路设置。
1.气体种类对射流环状结构的影响
不同种类的工作气体和环境气体之间的组合有助于分析气体扩散对射流环状结构的影响。这里选择氦气、氩气、氪气作为工作气体，空气、氮气、氧气、氦气、氩气、氪气作为环境气体。脉冲电源输出电压为2.8kV。当工作气体为氦气时，所得的等离子体如图2.9.4所示，在两个针尖之间产生弥散的NAPPJ。从图中可以看出，无论环境气体是哪种气体，N-APPJ的形状都很相似，呈现出一种两头尖、中间粗的纺锤形状。N-APPJ的两端呈锥形分别向两个针尖聚合，而射流的中间部分较粗。纺锤形的N-APPJ中间部分为暗区，只有边沿部分才发光。这表明每一种环境气体下N-APPJ都具有明显的空心环状结构。这说明环境气体和工作之间的相互扩散对等离子体子弹的环形结构起到重要作用。
图2.9.4 工作气体为氦气的射流在不同环境气体下的形态[56]
图2.9.5 工作气体为氩气的射流在不同环境气体下的形态[56]
而当工作气体为氩气或氪气时，如图2.9.5和图2.9.6所示，在各种环境气体下，放电都呈现出丝状结构，在两个电极之间形成一根或多根细丝放电。由于氩气和氪气的亚稳态不足以电离环境气体分子，因此彭宁电离不起作用。
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图2.9.6 工作气体为氪气的射流在不同环境气体下的形态[56]
2.工作气体掺杂成分对射流环状结构的影响
图2.9.7 向氦气中分别加入2.5%的氮气、氧气、氩气、氪气作为工作气体时射流的形态[56]，环境气体为空气
为了进一步确认环境气体和工作气体之间的相互扩散在等离子体空心环状结构形成中的作用，接下来在工作气体（氦气、氩气、氪气）中混入了2.5%的其他气体（氮气、氧气、氦气、氩气、氪气），观察此时的等离子体子弹形状[56]。此时环境气体为空气。当主要工作气体为氦气时，如图2.9.7所示，向工作气体中分别加入2.5%的氮气、氧气、氩气、氪气均会使射流的空心环状结构消失，N-APPJ呈现出弥散的实心结构。很显然，出现这种现象的原因在于，当少量的氮气、氧气、氩气、氪气等气体分子加入之后，由于这些气体分子或原子的激发能和电离能均低于亚稳态He原子，所以通过与亚稳态He原子或高能电子碰撞可以造成电离和激发，从而使工作气流内部也发生较强的放电，形成实心的等离子体子弹。由于大气压下低温等离子体的电离率约为百万分之一量级，所以即使只向工作气体中加入2.5%的杂质气体，这种杂质气体分子数量也比等离子体的电离率高4个量级，因而足以对放电产生显著影响。这一实验结果进一步证实周围环境气体向工作气体的扩散是导致N-APPJ环形结构形成的一个重要原因。
而当主要工作气体是氩气或氪气的时候，如图2.9.8、图2.9.9所示，无论加入哪种杂质气体，放电都是细丝状的，与图2.9.5、图2.9.6中的实验现象没有本质区别。
图2.9.8 向氩气中分别加入2.5%的氮气、氧气、氦气、氪气作为工作气体时射流的形态[56]，环境气体为空气
3.工作气体掺杂比例对射流环状结构的影响
为了进一步深入研究工作气体组分对等离子体子弹形态的影响，下面以氦气为主要工作气体，研究了向其中加入不同比例的掺杂气体（氮气、氧气、氪气）时N-APPJ的形态[56]，环境气体均为空气。当加入2%的掺杂气体（氮气、氧气或氪气）时，如图2.9.10（a）、图2.9.11（a）、图2.9.12（a）所示，N-APPJ均呈现出实心的结构。当掺杂气体含量增加到3.5%时，如图2.9.10（b）、图2.9.11（b）、图2.9.12（b）所示，实验现象没有显著的变化。当工作气体中氮气或氪气的含量进一步增加到6.5%时，如图2.9.10（c）、图2.9.12（c）所示，N-APPJ仍然保持实心结构。而当掺杂气体换成氧气的时候，如图2.9.11（c）所示，情况发生了显著的变化，N-APPJ表现出了明显的环形结构。而出现这一现象的原因目前尚不清楚。推测可能是因为射流中心区域处氧气浓度太高形成较强的电子吸附效应，抑制了放电的发生。除了上述现象以外，当向工作气体中加入氮气时，如图2.9.10所示，所产生的N-APPJ与阳极针尖之间形成一段宽度约2mm的暗区。这一现象的形成原因还需要进一步的研究。
图2.9.9 向氪气中分别加入2.5%的氮气、氧气、氦气、氩气作为工作气体时射流的形态[56]，环境气体为空气
图2.9.10 向氦气中分别加入2%、3.5%、6.5%的氮气作为工作气体时射流的形态[56]，环境气体为空气
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