介质管几何形状对螺旋等离子体影响

如前所述，人们认为介电管在放电行为中起着重要的作用。然而，前面的实验中只使用了圆形介质管。由于介质管对螺旋等离子体的出现起着重要的作用，本节将对介质管的尺寸、形状和高压电极的位置对螺旋放电的影响进行进一步的介绍[59]。实验装置的原理图如图3.8.23（a）所示。真空室连接到气体入口和真空泵，氮气作为工作气体。各种形状的介质管如图3.8.23（b）～（f）所示，它们将置于真空室中。等离子体在石英管中产生，针电极插入石英管的一端，石英管的另一端是开放的。实验中使用了五组不同的石英管，图3.8.23（b）为不同壁厚的石英管，图3.8.23（c）为两个不同直径连接在一起的石英管，图3.8.23（d）为不同角度喇叭形状的石英管，图3.8.23（e）是方形石英管，图3.8.23（f）是由一个圆形石英管和方形石英管连接而成的介质管，图中所有介质管的总长度都为10cm。

图3.8.23　介质管对螺旋放电的影响

（a）实验装置示意图；（b）不同内外径的石英管；（c）两个不同内外径的石英管连接在一起；（d）具有不同角度的喇叭形状石英管且针电极可以从石英管的中心向管壁方向移动；（e）方形石英管；（f）由方形管和圆形管连接的石英管[59]

1.不同管壁厚度的介质管对螺旋等离子体的影响

如前文所述，螺旋形状等离子体只在特定的条件下才能出现在介质管中。由于介质管壁厚会影响回路阻抗，从而影响等离子体的形态，因此管壁厚度可能会影响螺旋等离子体的形成。图3.8.24为采用四种不同壁厚的石英管产生的等离子体照片。如图3.8.24（b）所示，当壁厚为2mm时，可以得到清晰的螺旋等离子体；当壁厚减小到1mm（见图3.8.24（a））或增加到3mm（见图3.8.24（c））时，只能观察到模糊的螺旋等离子体；进一步将壁厚增加到4mm，如图3.8.24（d）所示，等离子体呈现为发散状，螺旋形状消失。

2.介质管内径的突变对螺旋等离子体的影响

从图3.8.25（b）可以看出，当d1=2mm时，没有出现螺旋形状等离子体。然而，当管的内径增加到4mm时，可以看到在距离接头位置约2cm的位置就又开始形成螺旋等离子体。此外还发现，无论是增加或降低气体压力，还是增加或降低外加电压，放电都不能在内径为2mm的管内形成螺旋状等离子体。从图3.8.25（c）可以看出，当管内径从4mm减小到2mm时，在管左侧形成的螺旋等离子体不能推进到管的右侧。

图3.8.24　不同管壁厚度的石英管中的等离子体照片[59]

（a）d2-d1=2mm；（b）d2-d1=4mm；（c）d2-d1=6mm；（d）d2-d1=8mm。（a）～（d）分别对应1mm、2mm、3mm和4mm的管壁厚度，所有管的内径d1为4mm，所有管的总长度为10cm；工作气体为N2，压强为7kPa，Ua=4.5kV，f=2kHz，tw=1μs

图3.8.25　两个不同内径连接起来的石英管中的等离子体照片[59]

（a）d1=4mm，d3=4mm；（b）d1=2mm，d3=4mm；（c）d1=4mm，d3=2mm。管的壁厚为2mm，管的总长度为10cm；N2压强为7kPa，Ua=4.5kV，f=2kHz，tw=1μs

3.喇叭口形状的介质管对螺旋等离子体的影响

由于介质管直径影响螺旋等离子体的形成，采用了如图3.8.26所示的具有喇叭口形状的石英管，并且研究了不同喇叭口角度对等离子体的影响。所得结果如图3.8.26所示，当喇叭口角度α为5°时，等离子体仍然可以形成一个较长螺距的螺旋形状；当α增加到10°时，在喇叭口中可以看到一个模糊的螺旋等离子体，但只有一个螺纹；当α进一步增加到20°时，螺旋形状等离子体消失，等离子体只沿喇叭口的一侧推进。对于不同的喇叭口角度，当外加电压降低到4kV时，等离子体只到达喇叭管的连接处。另一方面，当外加电压增加到5kV时，等离子体只沿喇叭口的一侧传播，不能形成螺旋等离子体。

从图3.8.26中可以看出，螺旋形状首先在直管部分形成，然后推进到喇叭管中。因此，直管部分的长度可能会影响喇叭管中等离子体的形状。为了进一步了解直管部分对螺旋等离子体的影响，下面对不同的直管长度进行研究。所得结果如图3.8.27所示，随着直管长度的减小，喇叭管中螺旋等离子体的匝数逐渐增大。

图3.8.26　不同喇叭口角度的石英管中的等离子体照片[59]

（a）α=0°；（b）α=5°；（c）α=10°；（d）α=20°。（a）～（d）管子的总长度是10cm；（b）～（d）直管部分长度为5cm；N2压强为7kPa，Ua=4.5kV，f=2kHz，tw=1μs(www.xing528.com)

4.方形介质管对螺旋等离子体的影响

上述螺旋等离子体仅出现在圆形介质管内，为了破坏系统的轴向对称性，下面采用方形管作为放电介质管。所得结果如图3.8.28（b）所示。与圆形石英管中的等离子体不同，方形石英管中的等离子体只沿管内壁的一侧推进。为进一步探究方形介质管内是否能够形成螺旋等离子体，采用了如图3.8.29所示的由圆形介质管和方形介质管拼接的石英管。从所得的等离子体照片可以看出，即使螺旋等离子体已经形成在左侧的圆形管中，在方管中无法形成螺旋等离子体。

图3.8.27　不同长度直管部分的喇叭口石英管中的等离子体照片[59]

（a）x=5cm；（b）x=4cm；（c）x=3cm。喇叭口角度均为5°；（a）～（c）分别对应5cm、4cm和3cm的直管部分的长度；N2压强为7kPa，Ua=4.5kV，f=2kHz，tw=1μs

图3.8.28　圆形和方形石英管中等离子体的对比

（a）内径为4mm的圆形石英管；（b）边长为4mm的方形石英管[59]

图3.8.29　圆形管和方形管相连接的石英管中的等离子体照片[59]

（a）圆形石英管；（b）～（d）对应左侧圆形石英管的长度分别为5cm、4cm和3cm

5.电极在介质管中的位置对螺旋等离子体的影响

在前面螺旋等离子体放电装置中，高压电极都放置在管的中心，若电极远离介质管的中心，放电的对称特性将被破坏，那么这是否会影响螺旋等离子体呢？下面将高压电极放置在与石英管内壁不同距离的s处，其中s=0mm意味着它紧贴石英管内壁放置，s为2mm、3mm和4mm分别对应于管的中心、距离管中心1mm处和距离管中心2mm处。放电图像如图3.8.30所示，从图中可以发现s的变化不影响螺旋形状的形成，对于不同的s值，螺旋等离子体的螺距和总长度都是相同的。

图3.8.30　高压电极处于不同位置处产生的等离子体照片[59]

（a）s=0mm；（b）s=2mm；（c）s=3mm；（d）s=4mm。s是电极与石英管内壁之间的距离，管内径4mm，外径8mm，石英管总长10cm。N2压强为7kPa，Ua=4.5kV，f=2kHz，tw=1μs

6.小结

本节介绍了介质管几何形状对螺旋等离子体的影响。首先，介质管的厚度会影响放电回路的阻抗，从而影响等离子体的推进。有趣的是，太薄或太厚的管壁都不利于产生螺旋等离子体。螺旋等离子体只能在管壁厚度为2mm时才能得到。其次，研究了管径对螺旋等离子体的影响。结果表明，当内径为2mm的管与内径为4mm的管相连接，高压电极放置在内径为2mm的管中时，在内径为2 mm的管中产生弥散的等离子体，在内径为4mm的管中转换为螺旋等离子体。另一方面，当将高压电极放置在内径为4mm的管中时，大直径管中形成的螺旋等离子体不能推进到小直径管中。第三，当采用不同角度的喇叭形管进行放电时，当喇叭口角度为5°时，等离子体仍能形成较长螺距的螺旋等离子体。当角度增加到10°时，仍然可以看到模糊的螺旋等离子体，但此时只有一个螺纹。随着角度继续增加到20°，螺旋形状等离子体消失，它只沿喇叭管的一侧推进。第四，方形石英管中的等离子体只沿管壁的一侧传播，不会出现螺旋放电行为。最后，将高压电极放置在远离圆管中心的位置，破坏其对称性，发现即使高压电极放置在紧贴圆管内壁的位置，也能产生螺旋等离子体，且螺旋等离子体的螺距和总长度都不变。这也许表明由针电极上的电流产生的磁场在螺旋等离子体的推进中不起重要作用，这是因为当针电极从管的中心移开时，针电极电流引起的磁场沿介质管分布不对称，螺旋等离子体若受到该磁场的影响应该失去对称性，但实验并没有观察到这种现象。

总之，本节采用不同形状的介质管，以及将电极远离中心来破坏对称性来探究螺旋等离子体的形态变化。但是关于螺旋等离子体产生的物理机制仍存在许多未知的问题和亟待解决的困惑。