大气压非平衡等离子体射流：非对称电压时的放电

上述结果表明无论电极结构是否对称，只要两个电极上的电压相同，则总会出现暗区。当高压只加在一个电极上，另一个电极接地时，暗区消失。那么如果两个电极都加上高压，但幅值不相同，此时会出现怎样的现象呢？图3.6.6给出了此时的等离子体照片。从图3.6.6（a）可以看出，当V1=6kV，V2=5.5kV时，中间的暗区消失了，代替它的是中间一个亮度稍暗的发光区。此发光区与左右两个主等离子体之间有一个间隙很小的暗区。中间这个亮度较低的区域长度约为2.4 mm。当保持V1=6kV，V2分别调整为5.2kV、4.5kV时，如图3.6.6（b）和（c）所示，此时较暗的发光区往右移（电压较低端），且较暗发光区与左右主等离子体之间的界限逐渐变得不明显了。

图3.6.5　弯管中的等离子体照片[39]

（a）电极对称，电压V1=0kV，V2=9kV；（b）电极对称，V1=V2=9kV；（c）电极不对称，V1=V2=9kV。脉冲频率5kHz，脉宽800ns，He流速1L/min

图3.6.6　非对称电压时的等离子体照片[39]

为了进一步了解这个较暗发光区的产生机理，采用高速ICCD相机对其动态过程进行了拍摄。图3.6.7为所得到的等离子体射流的动态过程。V1和V2是同一时刻加到电极上的。图3.6.8给出对应的V1波形及等离子体推进速度随时间的变化情况。图3.6.7中的第一幅图表明左边（V1=6kV）的放电先开始，两端放电开始后往中间推进，直到768ns时刻二次放电开始，此时对应于电压的下降沿，如图3.6.8所示。值得强调的是，第一次放电和第二次放电时等离子体的形状是不一样的。第一次放电时，等离子体由一个球形的头部构成；而第二次放电时等离子体像一个剑形。也就是说第一次放电与正流注相似，而第二次放电与负流注相似[24，40]。此外，应该强调的是，这两次放电时相对推进的等离子体都没有接触。

图3.6.7　当V1=6kV（左边），V2=5.5kV（右边）时的等离子体动态过程[39]

曝光时间4ns，脉冲频率5kHz，脉宽800ns，He流速1L/min，V1和V2是同时加到电极上的(www.xing528.com)

非常有趣的是，在电源电压降到零的300ns之后，即在1108ns时刻，出现了第三次放电。它从左端等离子体射流的第一次放电的最顶端开始，快速往右推进，最后在右端等离子体的第一次放电的最前端消失。

为了对这三次放电进行定量分析，图3.6.8给出了这三次放电推进速度与时间的关系。图中还给出了外加电压V1的波形。V2与V1是同时刻加载到电极上的，只是幅值为5.5kV。由此可以看出下游的两次放电的推进速度都比上游的快。第三次放电是在电压降为零后300ns以后出现的，它的推进速度约为1.5×104m/s。

图3.6.8　上游（vup）和下游（vdown）等离子体的推进速度随时间的变化情况，以及左端电极上电压V1的波形[39]

当两个电极上施加的电压一样时，中间出现暗区是容易理解的，因为此时中点位置处电场为零，所以无法放电。对于两电极上施加的电压幅值不同时出现的第三次放电，下面对此进行分析。当施加在两电极上的电压幅值不同时，如V1=6kV，V2=5.5kV，下游的等离子体推进速度比上游的快。如Lu等、Breden等、Naidis、Boeuf等所指出的，等离子体子弹的推进速度是由其本地总电场Etot决定的[17，40～42]。而等离子体子弹头部的电位Vtot包括电源施加电压在子弹头部引起的电位Vex和本地空间电荷诱导的Vsc。如果假设上下游等离子体停止推进时上下游的总电位相等，即Vtot_up=Vtot_down，此时中间电场为零。因此，当两个射流停止推进时，如果上游外加电压导致的电位Vex_up大于下游外加电压导致的电位Vex_down，那么上游本地电荷诱导的电位Vsc_up就应该小于Vsc_down。如果该假设成立的话，当外加电压降为零，由于Vsc_down大于Vsc_up，此时这两个射流头部之间的区域电场不再为零，就有可能引起放电。因此这个第三次放电是由空间电荷导致的。

应该指出的是，下游电源电压V1高于上游电源电压V2。但是从图3.6.7可以看出，下游的等离子体推进长度远大于上游等离子体的推进长度。根据文献[41]，由于等离子体的有限电导率，其每厘米的压降约为500V，因此它们都停止推进时，只要上下游射流头部的Vex_down与Vex_up不同，就有可能产生第三次放电。

Douat[43]等发现两个氦气射流在空气中沿相反方向推进时，在两个射流的中间出现粉红色辉光。他们认为所观测到的粉红色辉光是由两个等离子体射流中的电子往中间加速引起的。表面上看它与这里讨论的第三次放电类似，但事实上它们是不同的。

首先，在Douat等的实验中，施加到两个等离子体射流的电压是完全相同的。而本节介绍的第三次放电只有在电压幅值不相同情况下才能观测到。其次，Douat等观察到的粉红色放电是在电压下降时出现的。由于此时的等离子体有较高的电导率，因此电源电压在此过程中仍扮演着一定的角色。而本节介绍的第三次放电是在电源电压结束300ns以后出现的，它是纯粹由空间电荷引起的。最后，Douat等观测到的粉红色辉光是在两个射流头部产生的，它没有推进行为，即没有从一端往另一端推进。