大气压射流对螺旋放电的调控

上一节介绍了在没有外加磁场时，螺旋等离子体仅出现在特定电参数和气压参数条件下。此外，在其他等离子体实验中也报道了类似的螺旋推进现象[54～55]。但是，螺旋等离子体出现的原因至今未得到很好的解释。为了深入了解螺旋等离子体的产生机制，本节通过调控介质管电场的方法，探究螺旋放电行为的变化情况。实验装置如图3.8.7所示，这里通过在介质管外部施加螺线圈和环形电极的方式来研究其对螺旋放电行为的影响[56]。介质管尺寸与气压控制结构与图3.8.1相同。

1.外加单螺线圈对螺旋放电的影响

如图3.8.8（b）～（e）所示，对应的螺线圈的螺距分别为0.6cm、1.5cm、2cm和3cm，从图中可以发现，管内产生的等离子体都是沿管外的螺线圈推进的。当外加螺线圈的螺距增大，管内等离子体的长度会增加。除此以外，螺旋等离子体的圈数基本保持不变，在0.6cm、1.5cm、2cm和3cm螺距情况下，圈数分别为3.5、4.5、4.5和3.5。为了进一步研究螺距持续增大情况下，螺旋等离子体的变化情况，在介质管外壁上方附加一直导线，这就相当于螺距无限大，此时管内等离子体沿介质管内上壁呈现直线推进的方式，如图3.8.8（f）所示。

图3.8.7　调控介质管电场的实验装置图[56]

（a）介质管外加螺线圈；（b）介质管外加环形电极。这里的螺线圈和环形圈都是悬浮的

图3.8.8　石英管外加不同螺距螺线圈时的等离子体照片[56]

（a）无螺线圈；（b）L=0.6cm；（c）L=1.5cm；（d）L=2cm；（e）L=3cm；（f）L=∞。（f）为外加直线金属导线时的等离子体照片。放电电压参数为7kV、1kHz和1μs，氮气气体压强为7kPa

典型等离子体射流子弹的推进速度为103～105m/s，它与外施电压、工作气体及电极结构有关。外加螺线圈后，螺旋等离子体的动态推进行为如图3.8.9所示，其中3.8.9（a）为无外加螺线圈的子弹推进的高速照片，图3.8.9（b）～（d）分别为螺距为1.5cm、2cm及3.0cm时，子弹推进的高速照片。从图中可以发现，无论有无外加螺线圈，子弹都会沿介质管内壁螺旋推进，且有外加螺线圈情况下的推进速度大于无外加螺线圈情况下的推进速度。进一步的研究发现，随着螺距的增大，推进速度会加快。

图3.8.9　高速ICCD拍摄的螺旋等离子体动态推进照片[56]

（a）无外加螺线圈；（b）～（d）外加螺距分别为1.5cm、2.0cm和3.0cm的螺线圈。放电电压参数为7kV、1kHz和1μs，氮气气体压强为7kPa

2.外加双螺旋线圈对螺旋放电的影响(www.xing528.com)

如前所述，研究发现当在介质管外加单个螺线圈时，管内的等离子体会沿着管外螺线圈的轨迹推进。那么当在介质管外加两个方向相反的螺线圈时等离子体的形态会怎样呢？图3.8.10给出了此时的等离子体照片。当在介质管外加两个螺距分别为0.6cm，但方向相反的螺线圈时，管内出现两条独立的螺旋放电通道，如图3.8.10（a）～（c）所示。从图3.8.10（a）中可以发现，当电压幅值升高时，除了螺旋放电外，电极附近会出现均匀的背景放电。从图3.8.10（b）中可以发现，随着电压频率的升高，等离子体亮度变强，且出现了不与外加螺线圈同步的新放电通道。从图3.8.10（c）中可以看出，随着脉冲宽度的增加，管内螺旋等离子体的长度呈现先增加后减小的趋势。

3.外加环状金属电极对螺旋放电的影响

为了了解螺旋放电行为是否与高压电极的非对称性有关，将一个金属环加在介质管外部，以此屏蔽原有的电场分布情况。假如螺旋放电行为是由高压电极的非对称性导致的，则螺旋等离子体在有外加环状电极的情况下就会消失。所得结果如图3.8.11所示，当不接地的金属环状电极（宽度为4mm）放置于介质管壁外侧，它与高压电极的距离d为2cm时，螺旋等离子体在经过金属环状电极位置后没有消失，且呈现为两条不同方向且独立的螺旋放电通道；当d为4cm时，螺旋等离子体仍然存在，且在经过环状电极时，螺旋方向会发生改变；当d为10cm时，环状电极对螺旋等离子体的影响不明显。

图3.8.10　外加两个螺线圈时螺旋放电图像，氮气气体压强为7kPa[56]

（a）变幅值；（b）变频率；（c）变脉宽

当环状电极接地时，如图3.8.11（b）所示，当d为2cm时，高压电极与环状电极之间的螺旋结构消失，然而，在环状电极外侧螺旋结构再次出现；当d为4cm时，在金属环状电极内侧和外侧都无螺旋形态的放电出现；当d为10 cm时，有螺旋放电结构出现，且等离子体总长度比无金属环状电极时的增长。

图3.8.11　外加环状金属电极时螺旋放电等离子体照片[56]

（a）环状电极不接地；（b）环状电极接地。放电电压参数为7kV、1kHz和1μs，氮气气体压强为7kPa

4.小结

本节主要讨论了介质管外加金属螺线圈和环状电极对氮气螺旋放电的影响。当介质管外加金属螺线圈时，螺旋等离子体放电现象会在更宽的放电参数范围出现。在气压为3kPa至9kPa范围内，螺旋等离子体都会沿螺线圈的内部推进。当介质管外加双螺线圈时，管内的放电等离子体也呈现为双螺旋形式。当金属环状电极施加在距离高压电极较近的位置时，高压电极和环状电极之间的螺旋放电状态会被干扰，但在金属环状电极远离高压电极侧，螺旋行为会复现。