研究者根据高速ICCD相机所得的照片发现，裸眼看起来连续的等离子体射流实际上是由一团快速推进的等离子体构成的[7～8]。这一现象被称为等离子体子弹现象。该等离子体子弹与电极之间是一个暗通道，它们看似没有联系，等离子体子弹就像独自往前推进。该行为引起了国内外研究者的关注，人们对其展开了大量的研究。在绝大多数情况下，研究者们都观察到在一个电压脉冲周期内，电压上升时发生一次放电，产生一个向前推进的等离子体子弹，在电压下降时发生第二次放电，但下降沿放电产生的等离子体推进距离太短且放电头部与电极之间无暗区，此时与传统的流注放电类似。那么一个电压脉冲周期内有没有可能产生多个子弹？研究发现一个脉冲周期内确实可以产生多达3个等离子体子弹。本节将对这一奇特现象进行介绍。
这里采用的射流装置是图1.5.1中给出的单电极射流装置[9]。射流装置头部置于一个玻璃容器内，如图3.3.1所示。容器为一个内径16cm、深度25 cm的玻璃烧杯。容器左端密封，下部设置一个直径2 mm的排气管，以保证容器内气压与外部大气压一致。排气管位于封口塞的下部，所以当射流装置中通入氦气时，密度较大的空气将通过底部的排气管排出。该装置并没有抽真空，所以玻璃容器内始终存在少量的空气。射流装置工作气体流速为2L/min，其混合99%的氦气和1%的氮气。加入1%氮气的目的是为了增强等离子体的亮度，从而可以拍摄到更清晰的等离子体照片。该等离子体采用高压直流脉冲电源驱动。电压幅值最大可达±10kV，脉宽从200ns到直流可调，最高脉冲重复频率为10kHz。本节中无论是正脉冲还是负脉冲，电源的频率都固定为8kHz，即一个脉冲周期为125μs。电压幅值则固定为8kV或者-8kV。在接通电源之前，先向装置中通入工作气体约10min，以确保玻璃容器中空气的含量在较低的水平。接通高压电源后，在玻璃容器内产生等离子体射流，如图3.3.1所示。拍摄动态过程时ICCD的曝光时间设定为10ns。
图3.3.2（a）和图3.3.2（b）给出了电压脉宽为2.8μs的正脉冲放电及脉宽为100μs的负脉冲放电的电压、电流波形。这里给出的电流是总电流，包括位移电流和实际的放电电流，其中，实际放电电流远小于位移电流。从图中可以发现，无论是正脉冲还是负脉冲，一个脉冲周期内都有两次放电，一次发生在电压上升沿，另一次发生在电压下降沿。这和许多报道的结果一致。图3.3.2（a）中时间零点为电压上升沿到来的时刻，而图3.3.2（b）中时间零点为电压下降沿到来的时刻。后面给出射流推进的动态过程的时候可以发现，无论是正脉冲还是负脉冲，等离子体子弹都是产生于上升沿放电之后。因此对于正脉冲，其子弹推进的过程介于0～2.8μs；对于负脉冲，子弹的推进过程则介于100～125μs。
图3.3.1 实验装置示意图[9]
图3.3.2 放电的电压、电流波形[9]
（a）正脉冲；（b）负脉冲
用ICCD拍摄不同脉宽下射流的动态过程发现，对于正脉冲射流，当脉宽介于200ns～1.5μs时，只能观察到一个等离子体子弹，这和之前观察到的现象相同；但是，当脉宽进一步增大时，一个电压脉冲开始产生两个等离子体子弹，两个子弹之间的间隔时间也会随脉宽变化；当脉宽为2.8μs时，两个子弹之间的间隔时间最长；当脉宽增加到3μs时，第二个等离子体子弹消失，又只能观察到一个等离子体子弹。图3.3.3给出了脉宽为2.8μs时的动态过程，每幅图上的时间标签与图3.3.2（a）中对应。
图3.3.3 ICCD拍摄的正脉冲放电动态过程，图中标注的时间与图3.3.2（a）对应[9]
如图3.3.3（c）所示，当第二个等离子体子弹开始出现在喷嘴中时，第一个子弹已经推进到喷嘴外。第二个子弹大约在1.2μs时出喷嘴（图3.3.3（e））。此后两个子弹同时向前推进，两者推进的速度基本相同。需要指出的是，当第一个等离子体子弹离开喷嘴时，其大小和亮度都急剧增大；而第二个等离子体子弹离开喷嘴时，大小和亮度的增加要小于第一个等离子体子弹的情况；第二个等离子体子弹出现后，第一个等离子体子弹亮度和大小开始减小，最后两个等离子体子弹的大小基本相同。随着电压下降沿的到来，发生第二次放电，如图3.3.3（o）～（q）所示。这和报道的研究结果相同。(www.xing528.com)
为了进一步了解等离子体射流的多子弹行为是否和电压的极性有关，采用负脉冲驱动该等离子体射流。负脉冲的电压峰-峰值和脉冲重复频率与正脉冲相同。研究发现，当脉宽小于80μs或大于105μs时，每个电压脉冲只产生一个等离子体子弹；而当脉冲从80μs增加到105μs时，每个脉冲可以产生多个等离子体子弹；尤其是在脉宽介于98～102μs时，每个电压脉冲可以产生三个等离子体子弹；其余的脉宽条件下每个脉冲产生两个等离子体子弹。与正脉冲相似，子弹之间的间隔时间先增大后减小。图3.3.4给出了当脉宽为100μs时射流的动态过程。从图中可以看到，在电压上升沿之后相继产生了三个等离子体子弹，这三个等离子体子弹出喷嘴的时间分别为101.73μs、108.9μs和115.35μs。
图3.3.4 ICCD拍摄的负脉冲放电动态过程，图中标注的时间与图3.3.2（b）对应[9]
为了定量研究等离子体子弹的动态行为，图3.3.5（a）和3.3.5（b）给出了脉宽为2.8μs的正脉冲放电，以及脉宽为100μs的负脉冲放电产生的各个等离子体子弹推进速度随时间的变化曲线。如图3.3.5（a）所示，采用正脉冲时，两个等离子体子弹的推进速度都缓慢下降。在同一时刻，第二个等离子体子弹的速度要略高于第一个等离子体子弹的速度。负脉冲电压驱动的放电则有所不同，其等离子体子弹的推进速度一开始先增大，然后逐渐减小，其原因尚不清楚。
人们在研究针-板结构的流注放电时发现了二次流注现象[10～12]。当一个脉冲正高压加载到针电极上时，首先产生一个流注放电。如果所加的电压足够高，当初始流注离开针电极后，经过一段时间，针电极处会出现二次流注放电。人们认为二次流注放电的产生与空间电荷的复合有关。第一次流注放电向前传播之后，高压电极附近留下比较多的正电荷。这些正电荷导致电极附近的电场很弱。经过一段时间之后，正电荷逐渐消失，电极附近的电场强度得到恢复。当电场强度增强到一定程度时引发二次流注放电。由于本节中观察到的多个等离子体子弹的现象只在高压电极作为阳极时出现，因此多个等离子体子弹的现象与正流注放电时二次流注现象有相似之处。当正高压加到电极上时，第一个等离子体子弹向前推进，留下了比较多的正离子。随着时间的推移，积累在电极附近的正电荷与电子复合而逐渐消失，电极附近的电场再次变强，从而产生第二个等离子体子弹。当驱动电压为负极性的脉冲电压时，情况与正脉冲类似。由于负极性高压脉宽设置很长，电极长时间处于负高压，将大量的正电荷积累到电极附近。当电压从-8kV上升到0V时，积累在电极附近的正电荷充当高压电极，产生放电的过程与正脉冲相似。
图3.3.5 等离子体射流的推进速度，放电参数与图3.3.2相同[9]
（a）正脉冲；（b）负脉冲
为什么多子弹的行为只有在外部气体为氦气或者氦气加少量氮气的条件下才能出现，而当外部气体是空气时则不出现呢？这可能跟氧气的电负性有关，它可以吸附电子形成氧负离子。如果周围环境为空气，射流产生之后，一部分电子会被氧分子吸附形成氧负离子。由于氧负离子的质量比电子重得多，从而无法像电子那样迅速到达高压电极附近，导致高压电极附近的正空间电荷不能被快速中和，电场也就无法恢复，不能产生二次放电。
本节中观察到的等离子体子弹的推进速度也和之前在周围空气中产生的等离子体子弹[8，13～25]有较大的不同。首先无论是正脉冲射流还是负脉冲射流，等离子体子弹的平均推进速度和峰值速度都要比之前在周围空气中产生的[17，24]小很多。对于相同的装置，相同的气体流速和电压幅值，之前射流的峰值速度分别为150km/s（正脉冲）和70km/s（负脉冲）[24]，要远高于本节的实验结果。另一方面，本节中观察到的射流在推进过程中其推进速度下降非常缓慢，这可能是因为周围的气体主要是氦气+氮气（1%）导致的。对于等离子体射流是在空气中推进，由于空气的扩散作用，距离喷嘴越远的位置，氦气气流中空气的含量就会越高。而空气中的氧分子很容易吸附电子形成氧负离子，导致暗通道中的电导率迅速降低，子弹头部电场减弱，所以等离子体子弹的速度迅速下降。
本节中还发现，脉宽对多子弹现象有显著影响，改变脉宽直接影响到是否出现多子弹现象。此外，研究还发现，无论工作气体氦气流中是否加入少量氮气，都会产生多子弹现象，但少量氮气的加入也会影响到多子弹现象出现的脉宽范围。然而，目前对这些现象的产生机理尚不清楚，还需要进一步的研究。
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