光电离效应在大气压非平衡等离子体射流中的作用

如上所述，正流注理论中其中有一条基本的假定，即在流注前端的光电离作用是二次电子雪崩中二次电子的主要来源，这是单次放电或者很低频率下放电能够进行的原因。如果电压的重复频率足够高，则之前放电剩余的电子或者大量解离产生的电子都能影响流注推进过程。但是，在流注推进过程中，能够发挥类似光电离作用所需要的最小剩余电子密度仍是未知的。为了深入研究这一问题，研究者们进行了大量包含或不包含光电离及不同程度背景电离的数值模拟，模拟的重点是光电离和背景电子密度对于流注结构和传播速度的影响，而光电离和背景电子密度对于流注起始放电延时和抖动的影响尚不清楚。

由于受到诊断方法的限制，仅有少量直接测量光电离的实验，而且许多实验还是几十年前进行的[96～102]。例如，其中一项研究发现，空气中的光电离效应比纯氧或纯氮高1到2个数量级，在两种纯气体中也都能看到显著的光电离效应，但这些“纯净”的气体中仍然存在0.1%～1%的杂质，换句话说，这些“纯净”的气体里面仍然存在空气[102～103]。

另一方面，大量数值模拟研究集中关注光电离在流注传播中所起的作用。这些研究对外施电场、气体压强和成分对光电离的影响，以及光电离对流注的影响，例如对分叉的直径、数量/密度及流注的推进速度的影响[83～84，92，104～113]。除此之外，背景电离被认为是可替代光电离的另一种机制，研究表明，用相同程度的背景电离代替光电离能减少计算的复杂性[92]。

为了定量研究光电离对流注推进过程的影响，光电离模型是必要的，其中最著名的一个光电离模型是1982年提出的[114]，它是基于几十年的实验结果发展而来的[96～101]。在该模型中，光电离率表示为

这里的ξ是一个比例常数，p是气体压强，pq为80mbar，Si是氮的局部碰撞电离率，h是光电离的吸收函数。由于该积分的计算量很大，因此引入了两项近似表达

其中，Aj和λj为拟合系数，它们根据最佳拟合结果确定，λj与吸收的特征波长有关，Aj代表其强度。当N=2时，这个模型被称为卢克两项模型[115]，其中，A1=4.6×10-2cm-1·bar-1，A2=2.7×10-3cm-1·bar-1，λ1=45cm-3·bar-1，λ2=7.6cm-3·bar-1。波顿等人认为用两项模型表示光电离是不够准确的，并提出了三项模型来模拟光电离，而这个模型被称为波顿模型[116]。(www.xing528.com)

然而，上述模型都是基于早期的实验数据。由于实验条件的不确定性，光电离的实际参数始终是未知的。为了确定在光电离模型中，模型的选择对于模拟结果的影响，文献[117]对三种情况下无背景电离空气的流注行为进行了模拟。第一种情况是基于卢克两项模型，第二种情况是基于波顿的三项模型，最后一种情况是使用两项模型，但是在发射的光子数量上，人为控制减少了90%。从流注头部位置随时间的变化结果发现，卢克模型和人为减弱的卢克模型之间的差异不是很大。事实上，在流注头部人为削弱光电离时至少少产生了90%的电子，但是流注穿过两极的时间仅仅只多花了20%。波顿三项模型的模拟结果则介于两者之间。

值得注意的是，上述光电离模型基于人们普遍认为光电离率主要来源于氮气在98～102.5nm波段的辐射光，需要指出的是102.5nm是氧气光电离的阈值[58]。该模型还认为低于98nm的光主要被氮气吸收，而不参与光电子的产生[118]，这很自然地可以认为氧气的含量对光电离速率应该有很大的影响。然而实验结果发现，纯氮中（杂质含量少于百万分之一）和氧气含量相差6个数量级以上的氮氧混合物中，几个重要的流注参数，例如流注直径和速率，大致是一样的。而人工合成空气和纯氮气放电对比，其传播速率大致相同，最小直径相差不到两倍。

这意味着在流注推进过程中，如果光电离很重要的话，除了氮气辐射的紫外光导致氧直接光电离产生光电子外，其他光电离机制同样应该发挥着重要的作用（比如氮分子的逐级电离），这和我们前一章讨论的结果是一致的。宇宙辐射导致气体的背景电离，或者之前放电剩余的电荷能为流注推进提供足够的自由电子[113，117]。但是该实验中放电频率在0.03Hz到1Hz之间，前一次放电剩余的电子不足以在流注推进中产生重要的作用。

为清晰地了解光电离在流注推进中的作用，估算光电离产生的电子密度是很重要的。不同的初始种子电子密度的模拟结果表明，在不考虑光电离的情况下，当初始种子电子密度达到107cm-3时，所产生的流注参数与有光电离而没有种子电子时大致相同，由此推测光电离产生的种子电子密度约为107cm-3[119]。

光电离导致了一些意想不到的流注现象[120～121]。此外，模拟结果表明，光电离是引起流注在强均匀场强中非相似性行为的重要因素之一。此时的电场强度应该满足E＞Ek，这里的Ek是由空气中电离与解离吸附系数相等时所决定的击穿阈值[112]。