大气压非平衡等离子体射流：随机模式和可重复放电模式

如前所述，等离子体子弹与传统的流注放电之间存在很多差异，流注理论不能解释许多与等离子体子弹有关的实验现象。其中一个显著的差异是等离子体子弹存在经过相同延迟时间后推进相同距离的可重复性特点[9，19，40，43，124～170]。另一方面，注意到大多数N-APPJ是由数千赫兹或更高频率的电源在惰性工作气体中放电，这与空气流注不同，空气流注主要是1Hz或者几赫兹的重复放电。正如我们所知，电子密度的衰减是需要一定时间的。在标准温度和压力下的空气中，自由电子在大约10ns内就被O2分子吸附，形成。被吸附的电子对电离过程影响较小，除非它们在强电场下被去吸附而分离出来。另一方面，N-APPJ主要在惰性气体中放电，自由电子的寿命可能会更长。因此，在惰性气体中的种子电子密度有可能明显高于传统空气流注放电的种子电子密度。

根据前面流注放电理论的四个方面，如果放电通道中的种子电子密度足够高，则种子电子可以提供自由电子。这些电子既可以作为一次电子雪崩的一次电子，也可以作为二次电子雪崩的二次电子。那么，最开始第一个电子产生的随机性导致放电的延迟和延迟的抖动，以及光电离的不确定性导致流注的推进速度不同及分叉行为，都不复存在。一旦满足适当的条件，等离子体射流将呈现可重复放电模式，这正是许多研究团队所观察到的现象。

针对这一现象以下几个问题还需回答。

（1）是否所有的等离子体子弹都有高的种子电子密度？换言之，所有的等离子体子弹都是以可重复的模式推进的吗？如果答案是否定的，那么当一个等离子体子弹在一个不可重复的（随机）模式下推进时，它需要回答随机模式是由放电起始时间的随机性（第一个有效电子出现的时间）还是由推进速度（电子雪崩过程中二次电子的产生）不同造成的。

（2）现有的大多数研究工作中，推进行为都是在放电已进行了数秒到数分钟甚至更长时间情况下获得的。在这些情况下，由于许多放电脉冲导致带电粒子和活性粒子的累积。那么，对于第一次放电（最开始的放电阶段），由于不存在前一次放电，因此没有剩余电子，而由于宇宙射线导致的种子电子密度非常低（104cm-3），所以等离子体子弹在第一次放电时的推进行为很可能与稳定放电时不同。确认等离子体子弹的第一次放电是不可重复放电模式具有重要的意义。此外，它将有助于我们了解经过多少个放电脉冲后，放电将从随机放电模式转换到可重复放电模式。

（3）对N-APPJ而言，在可重复放电模式下推进所需的最小种子电子密度是多少？(www.xing528.com)

（4）光电离引起的电子密度是多少？光电离在N-APPJ的推进过程中起什么作用？

为了回答上面（1）～（4）的问题，精确测量种子电子密度和光电离引起的电子密度特别重要。然而，由于等离子体的电子密度ne根据数值模拟估计在1011～1013cm-3之间，种子电子密度nseed必定比等离子体的电子密度低许多。不同研究团队在数值模拟时采用的种子电子密度有很大的差异，在102～1010cm-3范围内变化。对于这样量级的电子密度，现在没有合适的实验手段能够对其进行测量。但是我们知道，种子电子密度会随时间衰减，当放电频率变化时，两个连续放电之间的时间间隔也随之变化。因此，降低放电频率至低于N-APPJ重复放电模式所需的最小频率，放电必然会由可重复模式变为随机模式，因为此时的种子电子密度必然会低于某一阈值。基于上述假设，研究者设计了几个相关实验来回答上面列出的四个问题。

图5.4.1　大气压条件下放电频率为0.2kHz的等离子体子弹高速图像[17]

电压幅值为7kV，脉冲宽度为800ns，氦气流速为1L/min，ICCD曝光时间为20ns，单张拍摄