活性粒子对射流推进的影响

另一个潜在的原因是等离子体产生的各种活性粒子从上游到下游导致的。事实上，上游产生的一些长寿命的活性粒子有可能通过气流进入下游等离子体区，这导致下游区产生等离子体更容易，从而产生更长的等离子体射流。为了影响下游的等离子体射流，活性粒子必须有足够长的寿命，从而在流动到下游时仍然存在。对于气体流速为2L/min，活性粒子从上游流到下游的时间大概是0.5ms。因此能够影响下游射流推进的活性粒子的寿命必须约为0.5ms或更长。由于等离子体的放电时间约为400ns，因此上游产生的活性粒子无法影响下游同一个电压脉冲的等离子体射流。只有当活性粒子的寿命长于脉冲周期，此时上游产生的活性粒子能够影响下游下一个脉冲的放电。

下面对可能对此产生影响的活性粒子进行分析。首先对等离子体的发射光谱进行测量，如图3.5.5所示，该等离子体主要的激发态粒子为激发态的OH和Ar。由于激发态的OH的寿命小于1μs[31]，因此它对该现象的产生不起直接作用。

另一种潜在的活性粒子为亚稳态粒子。它在大气压下的主要损失机制为三体碰撞，即

其反应率常数为k=1.4×10-32cm6/s[32～34]，由此可估算出亚稳态粒子的寿命小于1μs。它通过三体碰撞迅速转化为激发态的，而激发态的寿命小于3.2μs，它会迅速发射一个光子并跃迁到基态。因此亚稳态粒子对所观测到的现象不起作用。

图3.5.5　上下游等离子体的发射光谱[30]

如前所述，石英管中的空气含量是很低的，从发射光谱也可以看出，没有氮气或者氧气的发射光谱。为了进一步确认氮气对此现象不起作用，在氩气中混合1%的氮气。所得结果如图3.5.6所示，不论是否添加氮气，上下游的等离子体射流长度差没有明显变化。因此可以确定氮气对上下游射流长度差不起作用。

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图3.5.6　混合1%氮气及纯氩气的等离子体照片[30]

还有未考虑的活性成分就是带电粒子。对于此处的Ar等离子体，当气体流速大于1L/min时，空气的比例很低可以忽略，因此放电最开始产生的主要的带电粒子是Ar+。然而Ar+会经过三体反应很快形成，即

其反应率常数为k=1.46×10-31～3.9×10-31cm6/s[35]，据此可得它在100ns以内即形成。因此离子应该是主要的离子。在大气压下可以假定电子-离子复合是它的主要损失机制。根据测量，放电时电子的密度可达1013cm-3[36～38]。因此可假定初始时刻电子的密度为1013cm-3，电子密度的变化可表示为这里电子-离子复合率系数β近似为10-7cm3/s。由此即可得电子密度随时间的变化关系为

对于脉冲频率为1kHz的情况，电子密度在下一次脉冲开始前高达1010cm-3。如上所述，气体流速为2L/min时，气体从上游到达下游约需要0.5ms。因此上游产生的电子和离子有可能输送到下游，从而影响下游的放电。