研究发现，长介质管内的螺旋放电行为仅在特定的放电参数条件下才会出现。为了进一步研究放电参数对螺旋放电的影响，下面对该放电形式开展进一步研究，对螺旋放电与气体压强、外施电压参数，以及氧气掺量之间的关系进行详细的介绍。
1.螺旋放电与气压的关系
研究发现，螺旋放电与气体压强关系紧密，所得结果如图3.8.3所示，此时外施电压参数保持不变，幅值为6kV，脉冲重复频率为700 Hz，脉宽为3μs。随着气体压力从15Pa增加到50Pa，放电等离子体变得更长并且更亮。当气压提高到100Pa，放电仍没有明显的变化。但当气压提高到500Pa，放电亮度反而降低。当气压进一步增加到1kPa时，等离子体收缩到管子的中心轴而不再是充满整个管内。当气压从1kPa增加到3kPa时，等离子体长度减小，并产生在石英管中心轴线上。将气压进一步提高到3.5kPa时，开始呈现螺旋放电模式。螺旋的旋转方向是随机的，可以是顺时针，也可以是逆时针，但旋转方向一旦确定就基本保持稳定。另外，随着气压升高，螺旋的推进距离减小。最后，当气压增加到6kPa时，放电消失。研究发现，螺旋放电一般需要气压达到几个千帕时才会产生，而且形成稳定的螺纹结构需要配合相应的电压参数。当气压小于3kPa时，无论怎样调节放电的电压参数，放电很难出现螺旋情况，等离子体呈现出均匀、稳定的特性。
图3.8.3 氮气等离子体螺旋放电情况与气压的关系[53]
Ua=6kV，f=700Hz，tW=3μs
2.螺旋放电与电压参数的关系
如前所述，稳定螺旋结构的产生需要配合相应的电压参数，那么螺旋结构与电压幅值、频率及脉宽之间具有什么样的关系呢？本小节将对此进行介绍。
首先介绍螺旋放电形式与电压幅值的关系。研究发现介质管内N2气压为4kPa，电压参数选取为Ua=6kV，f=700Hz，tW=3μs时，可以得到非常稳定的螺旋放电。在此基础上，固定频率、脉宽及气压，改变电压幅值，得到的结果如图3.8.4所示。从图中可以发现，当电压低于6kV，放电仍呈现出螺旋模式。而当电压高于6kV时，在针电极附近仍有模糊的螺旋存在，但是随着等离子体的推进，螺旋放电不能维持，放电转变为直线推进模式。
下面固定电压幅值6kV，在400Hz～8kHz范围内改变频率，观察螺旋放电的变化情况，所得结果如图3.8.5所示。从这些照片可以看出，降低频率时，放电仍然呈现为螺旋形式，但是升高频率时，放电转变为直线推进模式。
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图3.8.4 不同电压幅值下的氮气放电照片[53]
图3.8.5 不同频率下的氮气放电照片[53]
3.螺旋放电形式与氧掺量的关系
种子电子往往影响放电模式，氧气等电负性气体能够吸附电子从而影响种子电子密度，因此在氮气中加入少量氧气，研究此时螺旋放电所受到的影响。所得结果如图3.8.6所示，随着氧掺量的增加，螺旋等离子体羽的螺纹开始发散、变模糊。当氧掺量达到5%时，螺纹出现混乱、抖动的情况。当氧掺量达到20%时，螺旋放电消失，放电完全转化为弥散形式的放电。
4.小结
本节介绍了介质管内氮气在特定的气压和电参数协同作用下，出现特殊的螺旋放电现象，且该现象与气压、电参数，以及氧气掺量都有重要的关系。首先，气压不能太低，需要在几千帕的气压值。其次，稳定的螺旋放电受电压幅值和频率的影响，适当地降低电压和频率，螺旋放电仍能维持，但是升高电压幅值和频率，会使放电转化为弥散放电。氧掺量越多，螺旋放电越难维持。螺旋放电现象是一种非常有意思的物理现象，但对其放电机理的认识目前还非常有限，该现象亟待进一步的深入研究。
图3.8.6 不同氧掺量条件下的氮/氧混合气体螺旋放电转化照片[53]
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