外加电场对螺旋放电的影响

上一节研究表明，介质管内的螺旋等离子体会跟随管外螺线圈的轨迹推进，且螺旋等离子体的形态可以通过外部的螺线圈调整和控制，这可能是螺线圈改变了局部的阻抗，从而稳固了等离子体的螺旋推进行为。为进一步了解和调控螺旋放电现象，下面在外部螺线圈施加电场，以此来对管内的螺旋等离子体进行调控。螺旋等离子体的驱动电源参数（包括电压幅值、脉宽、频率）固定不变，以此来观察外加电场对内部螺旋等离子体的影响。实验装置如图3.8.12（a）所示[57]。

图3.8.12　实验装置图及脉冲电压之间的关系示意图[57]

V1、V2表示电压幅值，w1、w2表示脉宽，t表示脉冲2超前脉冲1的时间，t为正表示脉冲2超前脉冲1，相反则滞后脉冲1

管外壁的螺线圈螺距为1.7cm。实验过程中需两套独立的高压脉冲电源，两个电源电压之间的关系如图3.8.12（b）所示，此外，f1和f2分别表示电源1和电源2的脉冲频率。电源1连接到高压电极来驱动等离子体，其电压幅值V1为6kV，重复频率f1为1kHz，脉宽w1为1μs。外加电源2连接到管外部的金属螺线圈上。

1.外加电压幅值V2对螺旋等离子体的影响

下面首先给出螺线圈上施加电压幅值V2对放电的影响，所得等离子体照片如图3.8.13所示。当V2=0kV时，相当于螺线圈接地，管内螺旋等离子体长度长于没有外加螺线圈时的长度。随着V2增大，螺旋等离子体的长度减小。需要强调的是，螺旋等离子体始终沿着外加螺线圈的轨迹推进。当外加电压幅值达到4kV，等离子体长度已几乎接近于0。

图3.8.13　外加螺线圈施加不同幅值（V2）电压时的等离子体照片[57]

V1=6kV，f1=f2=1kHz，w1=w2=1μs，t=0μs

如上所述，当螺线圈上施加的电压幅值为0kV时，相较于没有外加螺线圈的情况，等离子体长度增长。之后，随着外加电压幅值V2增加，等离子体的长度缩短。因此，可以通过调整V2的值，使等离子体长度与无外加螺线圈时的长度相同。如图3.8.14（a）和（d）所示，当调整外加电压幅值V2为1.8kV时，等离子体的长度和无外加螺线圈时的长度相等，两种情况的等离子体都约旋转6圈。另一方面，如图3.8.14（b）所示，当外加螺线圈悬浮时，等离子体长度短于没有外加螺线圈时的长度（见图3.8.14（a））。但是当螺线圈连接到电源2并且设置电压幅值为0kV（见图3.8.14（c））时，等离子体长度要长于没有外加螺线圈时的。

根据对等离子体长度的比较，可以假设放电时等离子体对管壁的等效充电为1.8kV。为了验证猜测，测量了悬浮螺线圈上的电压、电流波形，如图3.8.15所示，V2值在50ns内迅速增加到500V，50ns对应的时间是等离子体到达管壁的时间。随后，V2缓慢增大到1.3kV。需要强调的是，由于电压探头的阻抗和电路阻抗相比并非无限大，电压探头会分担部分电压降，使得测量到的螺线圈上电压值偏低。当电压探头连接到金属螺线圈时，放电长度略有增加也可以证明这一点。因此悬浮螺线圈上实际的电压值要比测量到的结果高。

图3.8.14　不同外加螺线圈条件下螺旋等离子体照片[57]

（a）无外加螺线圈；（b）外加螺线圈悬浮；（c）V2=0kV；（d）V2=1.8kV；（c）～（d）外加螺线圈连接外加电源。螺线圈螺距1.7cm，V1=6kV，f1=f2=1kHz，w1=w2=1μs，t=0μs

图3.8.15　电压电流波形[57]

V1指放电驱动电压，V2指螺线圈上测量到的电压，I1为经过高压电极的电流，I2为经过螺线圈的电流

为了进一步了解有外加和无外加螺线圈时螺旋等离子体的行为和特性，下面使用ICCD相机拍摄其动态过程，如图3.8.16所示。其曝光时间为3ns。从图中可以看出，有外加螺线圈时等离子体的推进速度要远高于没有外加螺线圈时的等离子体推进速度，但是，到达一定距离后有外加螺线圈的等离子体子弹速度迅速下降。

2.相位差和外施电压脉宽对螺旋等离子体的影响

介质表面积累的电荷会慢慢消失，当在介质壁另一侧施加同极性电压时将会加速电荷的消失、减弱记忆效应或者导致电荷的重新分布[58]。然而这些过程都需要一定的时间。上节讨论了螺线圈上施加的电压和高压电极上的驱动电压具有相同的脉宽且相位差为0。为进一步了解外加电场对螺旋放电的调控机理，将外加电压的脉冲宽度w2增加到3μs，并调整两个电源电压之间的相位差t。螺线圈上施加的外加电压幅值V2为3kV，是高压电极上电源电压幅值V1的一半。相位差从500μs变化到-500μs，所得结果如图3.8.17所示。

图3.8.16　等离子体子弹高速照片[57]

（a）无外加螺线圈；（b）有外加螺线圈，V2=0kV；（c）有外加螺线圈，V2=1.8kV

图3.8.17　脉冲1和脉冲2不同相位时的等离子体照片[57](www.xing528.com)

f1=f2=1kHz，w1=1μs，w2=3μs，V1=6kV，V2=3kV

从图3.8.17可以清楚地看到，当相位差t从500μs减小到3μs时，螺旋等离子体几乎没有变化。需要强调的是，实验时还尝试将脉宽w2增加到几百微秒，所得到的结果和3μs的情况没有任何差别。当继续减小t到2.5μs，两个脉冲电压之间有0.5μs的重叠，等离子体的长度有明显的缩短。随后，继续将t从2μs减小到0μs（脉冲之间重叠1μs），等离子体的长度达到最小值。

有趣的是，当t值从1μs变化到-0.5μs时，螺旋等离子体出现了另一条分叉，但是分叉出现的具体原因还不清楚。当t值从-0.5μs变化到-1μs时，等离子体的长度实际上略长于两个脉冲没有重叠时的情况。这可能是外加电压引起的新增放电产生的。

3.重复频率对螺旋等离子体的影响

图3.8.18　不同重复频率下的等离子体照片[57]

（a）V2=0kV，V1=6kV，w1=1μs；（b）V2=2.5kV，V1=6kV，w1=w2=1μs。f1=f2，t=0μs

随着电压重复频率的增加，相邻放电之间的时间间隔缩短，导致剩余电荷的耗散减少。因此，更多的电荷将积累在放电通道上。当电荷积累到一定程度，可能会对螺旋等离子体的推进产生影响。因此，下面研究了电压重复频率对等离子体的影响。如图3.8.18（a）所示，当V2=0kV时，随着放电电压频率f1的增大，等离子体的亮度明显提高，但是长度没有任何变化。当V2=2.5 kV时，随着f1和f2的增加，等离子体长度仍然没有明显变化。但是当频率增大到5kHz或更高时，在螺旋等离子体的中间出现了新的放电通道，出现的原因可能是管壁电荷的累积，当外加电压频率足够高时，由于螺线圈上外加电压的作用，管壁只允许有限电荷累积，使得增加的电流需要寻找新的放电路径，从而导致了新的放电通道的产生。

为了探究新的放电通道是如何产生的，图3.8.19给出了在重复频率为5kHz时等离子体子弹的高速照片。如图3.8.19（b）所示，两个放电通道同时向前推进。

图3.8.19　等离子体子弹高速照片[57]

（a）V2=0kV，V1=6kV，w1=1μs；（b）V2=2.5kV，V1=6kV，w1=w2=1μs。f1=f2=5kHz，t=0μs

4.相位差和外加电压幅值V2对螺旋等离子体的共同影响

如图3.8.20（a）所示，当脉冲1滞后脉冲21.2μs，等离子体长度随着V2的增加略有缩短，但是靠近圆柱高压电极的区域随之变得明亮。另一方面，当脉冲2滞后脉冲11.2μs，V2增加到3kV时，螺旋等离子体变长而且当V2继续增加到5kV及更高时，螺旋等离子体的尾端变得弥散。无螺线圈区域新增的放电可能是由螺线圈上施加的脉冲2产生的。由于脉冲2是在脉冲1后1.2μs时施加的，管内尚存大量前一次放电产生的剩余电子，因此很容易引起新的放电产生。

此外，当加入脉冲2时，圆柱电极附近的区域变得更加明亮，这可能是由于脉冲1和脉冲2各自引起的放电的叠加。为了证明这一猜测，图3.8.21分别给出了V1=6kV，V2=0kV和V1=0kV，V2=8kV的情况下的放电图片。从图3.8.21（b）可以看出，脉冲2确实在圆柱电极附近引起了放电。

图3.8.20　不同V2下螺旋等离子体的照片[57]

（a）t=1.2μs；（b）t=-1.2μs。f1=f2=1kHz，w1=w2=1μs

图3.8.21　螺旋等离子体照片[57]

（a）V1=6kV，V2=0kV；（b）V1=0kV，V2=8kV；（c）V1=6kV，V2=8kV，t=-1.2μs。f1=f2=1kHz，w1=w2=1μs

如上所述，在图3.8.20（b）中，V2较大时产生的新增放电可能是由螺线圈上施加的电压和前一次放电产生的大量剩余电子引起的。如果这个猜测是正确的，则新增的放电会受到电压之间的相位差t的影响。下面将t从-0.65 μs调整到-500μs。所得结果如图3.8.22所示，当t为-0.65μs时，在管内等离子体尾部没有外加螺线圈缠绕的区域，出现了弥散且较暗的放电；随着相位差t的增加，这一区域的等离子长度变长，直到-1μs时达到最长。继续增加t反而导致这一区域等离子体长度缩短。这可能是由于当t短于-1μs时，脉冲2与脉冲1部分重叠，但脉冲1产生的电场远大于脉冲2产生的电场，因此此时脉冲2很难引起放电。当t=-1μs时，脉冲1和脉冲2相互独立。但当t值继续增大时，前一次放电的剩余电子越少，新产生的等离子体长度越短。

图3.8.22　尾部末端无螺线圈缠绕区域新增放电照片[57]

对应图3.8.20中虚线右侧部分。t从-0.65μs变化到-500μs。V1=6kV，V2=8kV，w1=w2=1μs，f1=f2=1kHz