一、研究背景和意义

为了深入了解大气压等离子体电离波的物理特性，开展对大气压等离子体电离波的实验研宄具有重要的的科学意义与实用价值。传统的静电探针技术不适用于大气压等离子体的研宄，而非侵入式的诊断技术，包括基于ICCD的时空分辨发射光谱法、时空分辨图像法、激光诱导荧光法等，可分别对等离子体的放电形态、等离子体密度、电场强度、基态物种浓度等进行有效的诊断和测量。其中，放电过程中电离波的传输现象是带电粒子的集体行为引起宏观上物理状态的变化，利用时空分辨技术对其宏观过程的研究有助于对其微观过程的进一步认识和分析。

二、研究目的与内容

主要以实验方法，在He气为工作气体的条件下，利用时空分辨图像法研究大气压等离子体电离波在不同放电参数及结构尺寸参数条件下沿介质管的传输的特性并分析其传输机制，主要包括以下几部分内容：

1、利用可调谐 交流高压和直流脉冲高压电源作为功率源在石英管中进行气体放电，通过改变施加 电压值、气体流量和放电频率等放电参数，研究不同施加电压波形及参数条件下氦气放电的电学特大气压等离子体电离波沿介质管碰特性研宄性及电离波传输的时空行为。

2、利用 直流脉冲电源的突发模式产生 高压脉冲序列在石英管中进行放电，研究内容包括在介质管中 首个脉冲放电的重复性、脉冲下降沿处的放电特性、不同放电间隔条件下脉冲序列中每个放电脉冲中电离波的传输特性、放电脉冲序列中起始放电电压的变化，并讨论放电残余物种对电离波传输的影响。

3、研究 悬浮电极长度及半径对悬浮电极前后电离波传输特性的影响；和研究缠绕在介质管外带有一定电势的外加电极产生的 外加电场对电离波传输的影响，包括外加电极所带不同外加电势情况下电离波传输特性，讨论不同外加电极电势条件下对电离波传输的影响。

三、电离波概述

体击穿过程中伴有一定的指向性、时间与空间周期性的放电传输现象，研究发现放电过程中明发光的前端是一个快速向前推进的具有高电离率的区域，另外，因其运动状态具有时间周期性与空间周期性，具有波的特征属性，因此这种气体放电传输现象通常称之为电离波(Ionization wave)。

3.1 电离波与传统的流注放电

1、电离波通常沿着不均匀气体的空间或界面传输，其形态与流注放电有明显的区别，流注放电通常为明亮的放电不规则形状通道，而电离波通常为准均匀形态；
2、与流注放电的随机放电路径及分叉等特点相比，电离波传输具有明显的指向性和周期重复的特点。

3.2 电离波传输速度的计算方法

四、放电参数对电离波传输特性的影响

4.1 施加电压与电压波形对电离波传输的影响

4.1.1 交流高压对电离波的影响

实验结果表明在交流高压条件下，电离波的传输受到施加电压值的影响，一方面增加了施加电压的大小，另一方面加快了单位时间内电压上升速度。由ICCD图像结果可知，对于低电压条件下（３ｋＶ），电离波不能产生，随着增加到６ｋＶ，电离波产生并沿着介质管传输，进一步增加电压后，在放电管击穿后，管内放电向瞬时的辉光放电模式转变随着正弦高压电压的降低，放电逐渐停止。等离子体传输的动态过程受到空间电荷分布的明显影响，分析认为残余电荷在介质管中的非均匀分布同样可能对电离波整个传输过程产生了影响。

图3.6 结果表明电离波在当前参数条件下呈现变速的传输特性，并且其最大发光强度与传输速度成正比。当施加电压由 6 kV 增加到 15 KV时，电离波产生时的对应延迟时间由 89s提前到75s这是在高电场用下过放电快速发生。并且，放电管内电离波传输的时间由 30 s减小到20 S。表明随着施加电压的升高，电离波的传输速度明显增加。
根据不同电压条件下电离波在介质管中的时空传输特性，将其在介质管中的传输分别为三个阶段:
（1）一阶段：电离波形成并且传输速度与发光强度增加后缓慢下降，其原因可归结为高压电极附近的自由电子在外加电场作用下迅速获得能量并产生电子雪崩，由于电子较高的运动速度及电子密度的迅速升高，在电离区域前端形成了空间电荷场，空间电荷场的形成增强了电离波前的总电场强度，因此电离波的传输速度在放电初期明显增加，然而，随着电离波传箱元离高压电极加电场的作用减小，导致电离波传输速度缓慢下降。
（2）二阶段：离波的传输速度与发光强度迅速上升后迅速下降，电离波传输速度增加可归因于正弦交流高压对应正半周期随时间增加所致，而当 Vpp= 6kV 时，电离波传输速度的下降对应时间为正弦交流高压下降阶段，即施加施加电压的升高及降低对电离波的传输过程中的传输速度产生了影响。而当 Vpp大于9kV 时，电离波在地电极前传输速度及发光强度的迅速下降可归因于阴极鞘层的作用。
（3）三阶段: 由于电离波头部与地电极之间较高的电势差，电离波快速向地电极传输，并且其发光强度再次快速上升。

4.1.2 脉冲高压对电离波的影响

图3.7 结果显示电离波的传输受到了直流脉冲电压幅值的影响，当施加电压较低时(3 kV)，电离波在高压电极附近产生并在介质管内传输，当其传输到距离高压电极约 15 m 时，施加电压停止，电离波终止传输。当 Vamp>5kV 时，伴随电离波的传输，放电可以击穿整个放电间隙。随着 Vap由3kV 增加到9kV，电离波的传输速度与发光强度明显上升。在电离波传输到地电极时放电间隙击穿，形成瞬时的击穿电流，随着 Vmp由5kV 增加到9kV，其击穿瞬间电流峰值由4mA 增加到25mA。

图3.8 结果表明，随着 Vmp由3 kV 增加到9kV，电离波的传输速度与最大发光强度明显上升。在不同电压条件下，电离波在高压电极附近(0~10 mm)的传输速度明显增加，其原因可归结为高压电极附近的自由电子在外加电场作用下迅速获得能量并产生电子雪崩，由于电子较高的运动速度及电子密度的迅速升高，在电离区域前端形成了空间电荷场，空间电荷场的形成增强了电离波前的总电场强度，因此电离波的传输速度在放电初期明显增加，然而，随着电离波传输远离高压电极，外加电场的作用减小，导致电离波传输速度缓慢下降，之后由于电离波前与地电极间较大的电势差在传输到电极附近时，它们的传输速度再次明显增加。

在相似的电压幅值条件下，电离波的传输速度要高出交流高压电源条件下 1~2个数量级。直流脉冲波形具有更快的上升沿，电子能量随着脉冲上升沿时间的减小而增加，电子可以迅速获得能量在电离前端形成较强的空间电荷场，因此，在带有快速上升沿的直流脉冲条件下，电离波的传输速度明显增加。

4.2 气体流量对电离波传输的影响

图3.9 结果显示在不同气体流量条件下起始放电在相同延时时刻发生，随着气体流量由150 sccm 增加到10000 sccm，电离波的传输速度与发光强度明显降低（气体流量增大，电离波传输速度降低），此外在放电间隙击穿后，在低气体流量条件下，放电主要发生在高压电极附近；而在高气体流量条件时，主要在地电极附近发生持续放电现象。

图 3.10 结果表明随着气体流量由150 sccm 增加到10000 sccm，电离波的传输速度有所降低，然而，其在石英管中传输速度的空间变化趋势相同.

4.3 脉冲频率对电离波传输的影响

图 3.12 结果显示当施加电压脉冲重复频率由 10 Hz 增加到 5000 Hz时，起始放电时间由ICCD延迟时间 250 ns 小幅提前到230 ns，并且，电离波传输到地电极的时间分别为延迟时间1180ns，1160ns，1140ns 与1090ns，表明击穿所需时间减小（随着脉冲频率的增加，电离波的平均传输速度小幅增加）；另一方面，随着脉冲重复频率的增加，放电产生的瞬时击穿电流与持续电流没有明显区别（随着脉冲重复频率的增加，瞬时击穿电流与持续电流不变）。在脉冲放电中，放电频率对电离波传输的影响实际为脉冲间隔时间所致。

五、前序放电对电离波传输特性的影响

5.1 悬浮电极对电离波传输的影响

5.2 外加电场对电离波传输的影响