种子电子密度对大气压非平衡等离子体射流的影响

种子电子在正流注的推进过程中发挥着至关重要的作用，种子电子的其他来源方式有之前放电产生的剩余电子或者在高电场情况下的解离。值得注意的是，剩余电子只有在放电频率达到一定的大小时才有显著贡献。对于给定条件下的放电，获得放电结束瞬时的电子密度是有可能的，进而通过对电子动力学的模拟，可以估算出某一频率下的种子电子密度（seedelectron density，SED）。通常认为，放电频率足够高时，放电将从随机模式转为可重复模式。由于空气放电需要较高的电压，这类高压电源在频率方面存在限制，所有报道的相关实验最高的频率只有10Hz，这些频率都太低以致不能使空气中的放电呈现重复模式。

为了更好地了解种子电子在流注发展中的作用，通过计算机进行模拟仿真计算是很好的途径，研究者在这方面做了许多工作。为了简化计算，背景电子密度在模拟中通常直接输入，其值变化范围为102～1010cm-3[81，92～95]。图5.3.1给出了在大气压下，不同种子电子密度对于正流注和负流注在两极间推进的影响[94]。图中显示了在t=2ns时，6种背景种子电子密度情况下轴向电子密度的分布。可以发现，当种子电子密度从109cm-3变到104cm-3时，负流注头部的电子密度变化不大，正流注却受到很大的影响。当种子电子密度达到109cm-3时，正流注立刻开始推进；当种子电子密度下降时，正流注的延迟时间增加。

图5.3.1　不同种子电子密度初始值情况下，针电极之间轴向电子密度的分布情况[94]

t=2ns，左侧为阴极，右侧为阳极，种子电子密度变化范围为104～109cm-3，虚线为种子电子密度为105cm-3但无光电离的结果

从图5.3.1中可以看出，当种子电子密度超过107cm-3时，在放电起始时刻，正负流注头部的种子电子密度在相同的数量级；然而，当种子电子密度小于107cm-3时，在负流注前端，由光电离产生的种子电子显著增加了电极间的种子电子密度。这个结果表明，由光电离产生的电子密度在107cm-3量级。

研究者还在不同种子电子密度情况下，对针板放电结构形成的正负流注进行了数值模拟[95]。模拟时种子电子被放置在顶部针尖附近且满足半径为92μm高斯球状分布，其中电子密度的变化范围为6×106～3×109cm-3，结果发现流注的推进与初始电子密度关系不密切。需要强调的是，该模拟中，初始种子电子仅仅被放置在针电极附近，其他区域不存在种子电子。流注的发展与初始种子电子关系不密切的原因可能是在针板放电结构中针电极周围的强场强导致了针电极附近电子密度的快速增加。(www.xing528.com)

由于在强电场作用下可以显著产生种子电子，在不考虑光电离影响的情况下，研究者进行了不同初始密度的数值模拟研究，并将这些结果与不包括初始种子电子仅存在光电离情况下的模拟结果进行了比较。图5.3.2显示了仅考虑光电离及不同背景密度情况下流注头部推进情况[117]。从图中可以发现，在不存在光电离的情况下，流注前端的密度足够高时，流注才能推进。相对于背景密度为107cm-3时流注的传播速度，光电离存在时流注的推进速度快了40%，这大致相当于在大气压空气放电频率为1Hz时的情况。当背景密度从107cm-3减小为105cm-3时（相当于频率约为0.01Hz），流注的推进速度只减小了20%。密度为103cm-3的不足以产生稳定的流注。为了进一步研究能够与光电离作用相同的最小密度，初始的密度应该增加。

图5.3.2　针板结构中流注头部位置随时间的变化情况，z=0为针尖位置[117]

图5.3.3　考虑光电离时不同背景密度情况下，空气流注的推进速度[117]

如图5.3.3所示，在同时考虑光电离的情况下，当密度为1011cm-3时，氧负离子才能导致流注的推进速度增加[117]。当密度从0变化到109cm-3时，流注推进主要依赖光电离机制，且密度对流注推进的影响很小。换句话说，当背景的密度高于109cm-3时，光电离机制将不再是流注推进过程中的唯一决定因素。如果认为所有的都被去吸附产生了种子电子，则可推断出光电离产生种子电子密度应该为109cm-3。而事实上，不是所有的都会去吸附。由此可以判定光电离产生的电子密度应该低于109cm-3。