（等离子体物理专业论文）大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 大气压冷等离子体射流是近年来兴起的一种大气压类辉光等离子体发生技术，其低 温特点和良好的可控性使其在应用领域表现出某些优势。但其产生的等离子体面积、体 积方面存在着一些限制。为了产生适应实际应用规模所需要的等离子体源，阵列化的射 流装置以及放大化的射流装置已经被设计和应用。所以研究阵列化的等离子射流之间的 相互作用以及其弥合性将会是一项很有意义的工作。 本文主要介绍了两束环一板以及针一环结构的射流h e 等离子体之间的相互影响与其 弥合性。通过改变射流等离子产生的各种参数：激发电压，气体的流速，电极间的间距 以及电源的频率等，发现了相互成3 0 度角的两束射流等之间，即存在着相互排斥，也 存在相互靠近的现象，而且他们之间的弥合性与实验条件有很大的关系。 在研究环一板结构的射流等离子体相互作用时，发现当在较小的电极间距1 3 r a m 时， 两个射流等离子体并不能在其相交部分弥合，两束射流之间存在明显的沟壑间隙，并且 随着激发电压越高射流通道之间的间隙越明显。当增大电极间距到2 3 咖时，在较低的 激发电压下，两束射流通道能在其相交的末梢合并，但是随着施加电压的增大，它们之 间又会出现明显的分离排斥。并且通过比较实验，我们认为等离子体通道中的中空间电 荷之间的库仑力是这种排斥的一个重要因素。在射流等离子之间相互作用中还发现了两 束等离子体有相互靠近的现象，这种靠近现象和我们所使用的电源的频率有很大关系， 只有在较高频率时才能发现。通过具体的实验对比以及计算，发现了这种吸引作用和另 一束射流的电极有关。同时，不同频率下的单个射流等离子体的放电形态以及电流波形 都存在着很大的差异，在低频率下放电的电流脉冲的峰值会再某个电压值附近出现一个 极值并且电流脉冲幅值要大于高频。实验中，当调小其中一个射流的工作气体流量，则 在较高的激发电压下，两束等离子体之间会被击穿产生放电通道而相互合并。同时我们 发现在较大电极间距以及较高激发电压下，比较容易出现两束射流等离子体放电的不平 衡性。实验中我们还通过比较单管电流和双管同时放电时的电流得出：两束等离子体之 间存在着某些抑制的作用，通过对比实验了解这种抑制作用和气流有很大的关系。 在实验中，我们对“针一环”结构的射流h e 等离子体之间的相互影响也进行了初步 的观察研究。发现当在较小的激发电压下，两束“针一环 结构的射流能在其相交部分 比较好的融合，但是当增大电压到一定值时，两束射流又会明显的分开，符合我们上面 的实验结果。并且在大气流量低电压下，由于气流的动力学因素等离子体通道之间也能 够合并。 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 关键词：射流等离子体；相互作用；吸引；排斥；抑制 i i 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ei n t e r a c t i o n so ft w oc o l d a t m o s p h e r i cp l a s m aj e t s a t m o s p h e r i cp r e s s u r ec o l dp l a s m aj e ti sat y p eo fg l o w - l i k ep l a s m ag e n e r a t e dt e c h n o l o g y ， w h o s el o w - t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dg o o dc o n t r o lm a k ei td e m o n s t r a t es o m e a d v a n t a g e si na p p l i e df i e l d s h o w e v e r , t h ep l a s m ag e n e r a t e dh a ss o m e r e s t r i c t i o n si ni t sa r e a a n ds i z e i no r d e rt op r o d u c et h ep l a s m ao fs c a l er e q u i r e di nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a r r a yo f d e v i c e s ，a sw e l la se n l a r g e dp l a s m aj e td e v i c e sh a v eb e e nd e s i g n e da n da p p l i e d t h u s ，s t u d y o nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep l a s m aj e t sa n dp e r f o r m a n c eo fi t sn e a r n e s si saw o r ko fg r e a t s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w oa t m o s p h e r i cp r e s s u r eh e p l a s m aj e tw i t har i n g - t o p l a n es t r u c t u r e b yc h a n g i n gt h ev a r i o u sp a r a m e t e r so fp l a s m aj e t ： e x c i t e dv o l t a g e ，g a sf l o wr a t e ，e l e c t r o d e sd i s t a n c e ，a sw e l la st h ef r e q u e n c yo fp o w e rs u p p l y ， e t c ，w ef i n dt h et w op l a s m aj e t so fam u t u a la n g l eo f3 0d e g r e e sp r e s e n tn o to n l ym u t u a l e x c l u s i o nb u ta l s oa t t r a c t i o nb e t w e e ne a c ho t h e r ，a n dt h ec o m b i n a t i o no ft h e mh a v eag r e a t r e l a t i o n s h i pt od i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s i nt h es t u d yo fi n t e r a c t i o nb e t w e e np l a s m aj e t so fr i n g - t o p l a n es t r u c t u r e ，w h e nt h e e l e c t r o d ed i s t a n c ei sa ss m a l l e ra s13 r a m ，t h e s et w op l a s m aj e t sc a nn o tb eu n i t e di nt h e i rp a r t s o fi n t e r s e c t i o n ，a n dt h e ys t i l la p p e a ro b v i o u sg a po fg u l l y ，a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fe x c i t e d v o l t a g et h eg a pb e t w e e nj e tc h a n n e l si sb e c o m i n gl a r g e r w h e nt h ee l e c t r o d ed i s t a n c ei s i n c r e a s e dt o2 3 m m ，t w oc h a n n e l so fp l a s m aj e t sa r ec o m b i n a t i o no fn e a r n e s sa tt h ee n do f i n t e r s e c t i o np a r t sw i t ha1 0 w e re x c i t a t i o nv o l t a g e h o w e v e r ，w i t hi n c r e a s i n gt h ev o l t a g e ，t h e y w i l lb eo b v i o u ss e p a r a t i o na n dr e p u l s i o n ，w h i c hi sd u et ot h es p a c ec h a r g e so fp l a s m at h a t g e n e r a t eac o u l o m br e p u l s i v ef o r c eb e t w e e nt w oj e t s t h r o u g hc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t ；w e f i n dt h i sr e p u l s i o ni st h er e s u l t so fp l a s m ac o l u m n sa n dt h eg a sf l o w i nt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ep l a s m aj e t s ，t h eb r i g h t s o m eo fd i s c h a r g ec h a n n e l sc l o s ei sa l s oo b s e r v e d ，w h i c hi s g r e a t l yi n f l u e n c e db yt h ef r e q u e n c yo f t h ea p p l i e dp o w e rs u p p l y ；a n do n l yc a nb eo b s e r v e da t ah i g h e rf r e q u e n c y t h r o u g hc o m p a r eo fs p e c i f i ce x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o n ，w ef i n dt h a tt h e r o l eo fa t t r a c t i o ni sr e l a t e dt ot h ee x i s t e n c eo fa n o t h e re l e c t r o d eo fp l a s m aj e t a tt h es a m e t i m e ，t h e r ea r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e so fa p p e a r a n c ea n dd i s c h a r g ec u r r e n tw a v e f o r mb e t w e e n s i n g l ep l a s m aj e t sw i t hd i f f e r e n tp o w e rf r e q u e n c i e s i nt h ee x p e r i m e n t ，w h e nw et r a n s f e rt h e g a sf l o wr a t eo fo n ep l a s m aj e t s t ol o w ，t h e nt h eg a sb e t w e e nt w oj e t sc h a n n e l sw i l lb e b r e a k d o w na n dc o m b i n e da th i l g ha p p l i e dv o l t a g e a tt h es a m et i m e ，w ef i n dt h et w op l a s m a i e t sw i l lp r e s e n td i s c h a r g ei m b a l a n c ew i t hal a r g e re l e c t r o d eg a pa n dah i g h e ra p p l i e dv o l t a g e b yc o m p a r et h ed i s c h a r g ec u r r e n t so ft w op l a s m aj e t sa n ds i n g l ep l a s m aj e t ，w ef i n di n h i b i t i o n i i i 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 b e t w e e nw i t ht w op l a s m aj e t s t h i si n h i b i t i o nh a ss o m e t h i n gt od ow i t ht h eg a sf l o wo ft h e o t h e r j e t i n 1 ee x p e r i m e n t ，i n t e r a c t i o no ft h ep l a s m aj e t so fp i n - t o r i n gs t r u c t u r ei sa l s os t u d i e d w ef i n dt h et w op l a s m aj e t sc a l lg e tc l o s ei nt h ep a r to fi n t e r s e c t i o na tal o w e ra p p l i e dv o l t a g e ， h o w e v e r ，w h e nt h ea p p l i e dv o l t a g ei si n c r e a s e dt oac e r t a i nv a l u e ，t h et w op l a s m aj e t sw i l l s e p a r a t ef i o me a c ho t h e r , w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t r e s u l t sm e n t i o n e da b o v e a t h i g hg a sf l o wr a t ea n d l o wa p p l i e dv o l t a g e ，t h ec o a l i t i o no f t w op l a s m aj e t sc o u l db ef o u n d k e yw o r d s ：c o l dp l a s m aj e t ；i n t e r a c t i o n ；r e p u l s i v e ；a t t r a c t i o n ；i n h i b i t i o n 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目 作者签名 导师签名 每辑矗之一 日期：埤年二乙月竺日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 等离子体中通常含有电子、离子、活性自由基、亚稳态等等，有很好的化学和物理活 性【l 匕而其中应用最广泛的是非平衡等离子体，主要由于非平衡等离子体的宏观气体的温度 很低，在某些场合甚至接近于室温 2 - 3 1 ，可以导致很多化学反应在低温下进行。产生非平衡 低温等离子体的一种最重要的方式是气体放电，它主要跟电极结构，放电电压，放电频率， 放电气体及气压有关1 2 j 。大气压冷等离子体射流是近年来兴起的一种新型的类辉光等离子体 发生技术，由于其低温特点和良好的可控制性使其在应用领域表现出某些优势，是目前国 内外等离子体发生技术和应用领域的研究热点。阵列化以及放大化的射流等离子体技术已 经开始了研究和得到应用实施，那么研究这些阵列化的射流等离子体之间的相互影响以及 弥合性能就成为很有意义的课题。 1 1 等离子体概述 1 1 1 等离子体的基本概念 w c r o o k e s 在1 8 7 9 年提出“物质第四态来描述气体放电中产生的电离气体。1 9 2 7 年i l a n g m u i r 最先引进等离子体( p l a s m a ) 这个词【l 】。等离子体，即电离了的气体，当 气体被加热到足够高的温度，或对气体施加高能粒子轰击、激光照射、放电等时，部分 原子中的电子便会吸收能量而超过原子的电离能，使其能够摆脱原子的束缚成为自由电 子，同时原子由于失去电子而成为带正电的离子。这样，原本中性的气体就转变成由电 子、原子、分子、各种离子和自由基等粒子组成的电离气体，被称为“等离子体。 围 绕地球的电离层、太阳及其他恒星、太阳风、许多星际物质也都是等离子体。对于整个 宇宙来讲，几乎9 9 9 以上的物质都是以等离子体态存在的，占宇宙物质总量的绝大部 分。 等离子体可以分为高温等离子体和低温等离子体，高温等离子体如太阳等恒星和原 子弹、氢弹产生的等离子体，它们是完全电离的，气体温度高( t g 1 0 4 k ) 。低温等 离子体是部分电离的，气体温度低( t g y ， 大连理工大学硕士学位论文 4 2 0 3 9 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 4 0 。至 大连理工大学硕士学位论文 图5 5 单射流等离子体放电时的电流；a - d 的激发电源的频率为1 5 1 d i z ，e h 的激发电源的频率 为4 5 t d t z f i g 5 5 c u r r e n t so f s i n g l ep l a s m a j e tw i t hd i f f e r e n ts u p p l yf r e q u e n c ya n dv o l t a g e 对比电源频率为1 5 k h z 时的不同激发电压幅值下的电流可以发现：电流的幅值并不 时随着电压增长而同样呈现增大的趋势。而在电压幅值为3 2 k v 附近，会出现一个电流 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 的极大值。同样地，对比电源频率为4 5 k h z 时的不同激发电压幅值下的电流，电流的变 化基本随着电压增加趋势而增大，但是电流脉冲幅值增长变化主要集中在放电开始到 3 6 k v 附近这个范围。随着电压的增大，电流相位有前移的趋势。以上的电流为了保持 原样，处理时我们并未减去位移电流。 比较不同频率相同电压下的电流，在高频率下位移电流要大于低频率下的位移电 流，这个可以从位移电流本质去理解。相同激发电压下，低频率放电的电流脉冲峰一般 要高于高频率时的放电的脉冲峰。 5 2 相互排斥作用的讨论 这里我们讨论的排斥主要指：( 1 ) 我们在实验中观察到的在较小电极间距下射流 等离子体末梢交汇处的不能弥合以及随着电压的增大通道之间的间隙变的明显的现象； ( 2 ) 在较大电极间距下，如图3 1 0 中所表现出的随电压增大等离子体射流通道开始分 离的现象。( 3 ) 弱气流量下，等离子体通道之间排斥随电压的变化，如图3 7 和图3 8 所示。( 4 ) 在研究针一环结构等离子体射流相互影响时，随电压的升高，等离子通道之 间出现分离现象。 最初考虑在环一板结构射流在较小电极间距下等离子体通道的末梢不能弥合时，除 了气流动力学的因素外，应该还存在一种其他的作用导致了随放电强度的不同而表现的 排斥增强。最初，我们认为这种作用可能是介质板上的积累电荷的结果。因为在斑图理 论中，介质板上积累的电荷产生的库仑力是斑图形成并稳定的一个重要因素l 4 4 书j ，所以 我们也认为这些排斥可能是由面电荷在介质极板上的积累而产生的库仑力导致，但是在 后来的关于介质层对相互作用影响的那组实验( 图3 5 ) 中看出：在没介质层的时候， 等离子体在末梢仍不能相交弥合，而且还同样的表现出随电压增大排斥增强的趋势。由 于在无介质层时，面电荷无法在金属上积累而是随着金属电极迅速的导走，所以我们可 以排除面电荷产生的库仑力排斥为主要的因素。从图3 7 和图3 8 也同样可以发现这样 的排斥并不是由于面电荷的作用。 在摈弃了极板上积累的面电荷因素后，我们开始从空间电荷方面来考虑，由于等离 子体中存在着大量的带电粒子，这些带电粒子存在于等离子体通道中。那么同性的带电 粒子之间就会存在一个相互的排斥力。库仑力可以根据库仑力公式得到： 佻，：) 5 去而2 ( ，；_ ，：f ) ( 5 2 ) 大连理 _ 大学硕士学位论文 式中的k 一l 两个电荷之间的距离，岛为真空介电常数。q 为空间电荷数量。但是 在实验中暂时无法得知等离子体的密度，所以我们对空间电荷的排斥力无法获得比较精 确的数值。但是根据实验中发现的随着电压增加放电变强，排斥作用也增强，我们可以 认为是随着电压的增高，空间电荷的数量增多，那么自然相互排斥作用增强。希望能在 以后的试验中能精确的测量等离子体密度咀及空间电荷这些数据，并计算出之间的排斥 力的大小。 实验中为了验证同时存在的两柬射流等离子体之间确实存在相互影响，我们设计并 做了下面的一组对比实验，见图5 6 所示。 嘲5 6a ：只有左管放电且气体流量为00 6 t ，h ：b ：左管放电且气体流量为o0 6 a h ，右管 通入01 5m 3 h 的气体流最：c ：两管同时放电，左管气体流量为00 6 m 3 b ，右管气体流量0 1 5m 3 h ： 施加电压同为34 k v f i g56a ；o n l y l e f t j e t w o r k w i t h g a s f l o wr a t e 0 0 6 一m b ：l e f t j e t w o r k w i t h g a s f l o wr a t e 0 ，0 6 m hr r i g h t t u b e w i t h g a s f l o wr a t e01 5 m ：c ：t v 4 0 p l a s m a j e ts i m u l t a n e i t y w o r k ，l e f t l e t w o r k w i t h g a s f l o wr a l e0 0 6 m i ta n d f i g h t t u b e w i t h g 越f l o wr a t e01 5 m m ；a p p l i e d v o l t a g e i s34 k v 图5 6 a 为只有左管射流放电的照片，通入的气流量为o0 6 m 3 h ，施加电压为34 k v ； b 是右管通入气体流量01 5 m 但不施加激发电压，左管通入气体流量为o0 6 m 3 h 并且 施加34 k v 的电压；c 为两个管都施加34 k v 的电压，左管和右管通入的气体流量分别 为00 6 m 3 h 和0 1 5 m 3 1 1 。实验中为了减小气流的影响，我们特意把左管的气体流量减小 设置为00 6 m 3 h 。从照片的对比，在图5 6 b 中，当右管不加电压时，左管射流等离子 体可以通过右管的气体通道放电而与右管通道合并。但是当右管施加电压放电而形成等 离子体通道时，两束等离子体又不能联结弥合形成一个通道，如图5 6 七所示。只有当 电压加到足够高时，图5 6 _ c 所示的两个通道才能击穿放电而相互联结。我们可以从这 个实验得出：两束同时放电的等离子体通道之间确实存在着相瓦影响而致使通道不能很 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 好的弥合，并且这样的排斥也不是气体动力学引起的，而是等离子体通道的相互作用结 果。 实验中我们还发现：虽然我们从照片5 6 b 上看到的发光很强，其电流幅值却很小 甚至比5 6 a 还小，但是电流脉冲宽度却比5 6 - a 宽。图5 5 所示的电流分别对应的就 是图5 4 中的a 和b 的电流。 图5 7a ：图5 6 - a 的电流波形；b ：图5 6 - b 的电流波形 f i g 5 7 a ：c u r r e n to ff i g 5 6 - a ，b ：c u r r e n to ff i g 5 6 - b 在环一板结构的射流等离子体相互作用实验中，也发现了随着电压的升高，射流通 道之间出现排斥分离。我们同样地估计可能是等离子体中的空间电荷之间的库仑排斥力 大连理工大学硕士学位论文 导致了两束等离子体的分离。这个现象同时也说明了环一板结构的射流等离子体内存在 大量的带电粒子。 对于上面的实验总结：排斥现象一般出现在等离子体放电比较强的时候，原因我们 认为可能是由于空间电荷之间的库仑排斥力起了一定的作用。 5 3 合并现象的解释 在图3 6 中所示，在研究气流对相互作用的影响时，当其中一个射流的气体流量控 制在很小，施加电压很高，就会出现气流小的射流被另一个射流吸引合并连接的现象。 这里我们认为这种现象主要是在高激发电压下，两个射流等离子体之间间隙被击穿，其 中一个射流把另一个射流等离子体当成了电极而放电。实验还发现，如果增加其气体流 量或者降低施加的电压现象都是消失。增加气体流量时，则在气体的带动下，射流等离 子体放电通道又会被拉向了地电极。而降低电压时，电场强度较弱无法使两个射流之间 击穿。所以这种现象对电压以及气流很敏感，只有在小气流量、高激发电压的实验条件 下才能被观察到。 在电极间距为2 3 m m ，放电电压较低时( 图3 8 a 示) ，等离子射流通道的末梢可 以合并在一起。主要是因为激发电压低放电弱，这时的等离子体中的带电粒子比较少， 基本可以认为主要是一些退激发的中性粒子，所以它们之间的相互作用也微弱，我们才 能观察到在两束射流等离子体末梢的合并。而随着电压的加大放电变强，等离子体中更 多地粒子被电离，放电通道中空问电荷数目增加，通道之间的相互作用也就增强，两束 等离子体射流开始自上而下地出现了分离，如图3 8 b 和c 所示。在图3 9 b 中，我们 实际实验观察时发现了微小的间隙。( 但是由于放电的发光强度强烈，相机的曝光时间 原因，照片中没能反映出来。) 环一板结构的射流等离子体在大气流量和低激发电压下，也能出现在等离子体通道 末梢的合并现象。这时主要是由于等离子体之间空间电荷的排斥作用不强，气流成为两 束等离子体的弥合的主导因素。而随着电压的增加空间电荷数增加，等离子体通道之间 的库仑排斥增强，导致了通道的排斥分离。 对上面的实验总结，可以发现弥合现象一般只能出现在射流等离子体放电比较弱的 情况下。 5 4 放电不平衡现象的理解 在大的电极间距和施加较高的激发电压下，双射流等离体的放电会出现明显的不一 样，如图3 8 b 和c 以及图和3 9 b 。这种放电不平衡的出现是随机，有可能出现在左管， 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 也有可能出现在右管。并且这样的现象一般比较容易出现在较高的激发电压以及较大的 电极间距条件下。 对于这样的现象我们宏观上理解为可能由于等离子体的本身的非线性阻抗造成的。 当一个随机因素造成了放电出现不平衡，其中一个通道的放电变强，这样放电各个通道 的阻抗就会产生差异，并且可能产生正反馈作用使每个通道的放电不平衡加剧。最近的 一些研究者们已经通过在每个射流高压端接上一个起负反馈作用的大电阻来消除这些 每通道放电的不均匀性即j 。 5 5 环一板结构下的两束射流等离子体放电相互抑制的研究 本小节中我们通过比较只有一个射流通道放电时的电流与两个射流通道同时放电 时的电流大小来研究两束等离子体之间是否存在着相互抑制或者其他的影响。具体的实 验装置为图2 2 所示的环一板结构射流。实验中具体测量了电极间距为1 3 m m ，电压值分 别为3 2 k v 和3 6 k v 下的电流。因为在这样的电极间距以及电压下，两束射流等离子体 放电一般不会出现明显的不平衡。 图5 。8 a 为两个管在气体流量为o 1 5m 3 h ，激发电压幅值为3 2 k v 条件下同时放电 时的总电流；b 为只有左管放电时的电流，条件为气体流量0 1 5m 3 h ，激发电压幅值 3 2 k v ；c 为两个管在气体流量为0 1 5m 3 h ，激发电压幅值为3 6k v 的条件下同时放电 时的总电流；d 为只有左管放电时的电流，条件为气体流量o 1 5m 3 h ，激发电压幅值为 3 6 k v 。图5 8 中电流都是在的电极间距为1 3 m m ，电源频率为4 5 1 d - l z 下测量的。实验中 这些电流并未减去位移电流，因为在相同电压下等离子体本身的电容很小，我们可以近 似的认为每次放电的位移电流时相同的。 大连理工大学硕士学位论文 4 7 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 图5 8 单管放电电流和双管总电流，a ：双管在3 2 k 7 时同时放电的总电流：b ：只有单管在电 压为3 2 k v 时放电的电流；c ：双管在3 6 k v 是的放电总电流；c ：只有单管在3 6 k v 时放电的电流 f i g 5 8 c u r r e n to f s i n g l ep l a s m a j e ta n dt w op l a s m a j e t ，a ：c u r r e n to f s i n g l ep l a s m a j e tw i t ha p p l i e d v o l t a g eo f 3 2 k v ：b ：c u r r e n to f t w op l a s m a j e tw i t ha p p l i e dv o l t a g eo f 3 2 k v ；c ：c u r r e n to f s i n g l ep l a s m a j e tw i t ha p p l i e dv o l t a g eo f 3 6 k v ：c u r r e n to f t w op l a s m a j e tw i t ha p p l i e dv o l t a g eo f 3 6 k v 从上图的电流大小我们可以比较得出：电压正半周期时，双管同时放电的总电流并 不是简单的单管放电电流的两倍，而是明显的小于两倍的数量。说明了双管同时放电时 两束等离子体的之间可能存在着某些相互抑制的作用。 - 4 8 大连理工大学硕士学位论文 为了研究其原因，我们又在不同的右管实验条件下测量了左管电流，具体结果见下 图5 9 中电流图。其中图5 9 a 的左管条件对应的是与上面图5 8 b 相同，但是在右管通 入了流量为o 1 5 m 3 h 的气体而没接3 2 k v 电源；在图5 9 b 所示电流测量条件为：右管 接入3 2 k v 的电源而未通气流。电流图5 9 c 的左管条件对应的是和电流图5 8 d 相同， 但是在右管通入了流量为o 1 5 m 3 h 的气体而没接3 6k v 电源；在图5 9 d 所示的电流中， 我们在右管接入3 2 k v 的电源而未通气流。 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 图5 9 各种右管条件下的左管电流 f i g 5 9 c u r r e n t so fl e i ij e ta td i f f e r e n tc o n d i t i o no fr i g h tt u b e 从图5 9 a 、图5 9 b 和图5 8 ，b 的比较，以及5 9 - c 、图5 9 - d 和图5 8 - d 的比较 中我们可以看出：在右管通入气流时，左管的电流明显的都下降了至少l m a 。同时可以 从电流中看出气流对放电的负半周期的影响要远大于正半周期，这可能是由于气流对下 极板的电荷扰动的结果。综合上面的实验比较，可以得出气流是我们实验中的射流等离 子体电流减弱的一个重要原因，但是其内部的具体物理机制我们现在暂时还不是很清 楚，实验中我们还发现当增加右管的气流到0 2 5 m 3 i l 时，左管的电流的会下降了更多。 大连理工大学硕士学位论文 由于在实验中我们无法准确的测量双通道同时放电时的单管电流，所以在上面的实验中 我们无法清楚准确的得到等离子体之间是否存在着增强或者抑制的作用，希望能在以后 的试验中精确测量这些数据。 在上面的实验中我们发现有介质存在时，气流对放电的负半周期的扰动要强于正半 周期，我们推测可能是由于气流对下极板介质上的电荷的扰动的结果。所以我们做了一 组无介质层时气流对射流等离子体放电的影响，见下图5 1 0 电流所示，其中5 1 0 a 是单 管放电时的电流，5 1 0 b 是有气流扰动时的单管电流，放电时的电压幅值都是3 2 k v ， 气流都是0 1 5 m 3 h 。从两幅电流图中的电流比较发现，在无介质时，气流对放电负半周 期的影响减小了，基本和对放电正半周期的影响一样。由于无介质存在时，电荷能迅速 的由金属电极导走，所以影响减弱了。这个实验验证了我们上面的关于气流对极板电荷 扰动而对放电负半周期影响更大的推测。 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 图5 1 0 无介质存在时气流对放电的影响；a ：无气流扰动时的单管电流，b ：有气流时单管电 流 f i g 5 1 0 i n f l u e n c eo f g a sf l o wo r ld i s c h a r g ei n t e n s e ：a ：c u r r e n tw i t h o u tg a sf l o wi n f l u e n c e ，b ： c u r r e n tw i t hg a sf l o wi n f l u e n c e 5 2 - 大连理工大学硕士学位论文 结论 本文利用环一板和针一环两种结构的射流等离子体，主要研究了用同一个交流电源驱 动的两束成3 0 度夹角的射流等离子体之间的相互影响及其弥合性。主体放电管分别为： 环一板结构和针一环结构。 在环一板结构的射流等离子体相互作用试验中，发现在电极间距为1 3 r a m 的条件下， 两束等离子体之间存在着的一定的排斥作用以致在它们在交汇点不能弥合。通过实验以 及估算，我们认为是等离子体中的空间电荷之间的库仑排斥是导致了两束等离子体的不 能弥合的一个重要因素。同时发现了两束等离子体通道之间还存在着与频率关系密切的 相互靠近现象，通过实验的对比以及讨论计算得出，相互靠近主要为另一个电极产生的 电场对等离子体射流通道影响的结果；但是在低频率的情况下，我们未能观察到两束射 流等离子通道中的明亮带的相互靠近：我们对这样的现象假设为不同频率下等离子体空 间电荷分布不同的结果。同时，不同频率下的单个射流等离子体的放电形态以及电流波 形也存在很大的差异。在低频1 5 k h z 时，放电比较均匀，放电电流脉冲幅值在电压为 3 2 k v 左右存在着一个极值；在高频4 5 k h z 时，放电主要集中在等离子体通道的中央， 存在一个放电强度弱的边缘区域；并且低频下的电流脉冲峰值一般大于高频。当减小其 中一个射流的气体流量到一定值时，两束射流能在较高的激发电压下相互合并，这主要 是在强电场作用下等离子体通道之间被击穿。在电极间距增大到2 3 m 的实验条件下， 当激发电压较小时，两束等离子体能在相交的末端弥合。但是随着电压的升高，两束等 离子体通道之间又会表现出相互排斥作用而分离。我们认为主要是由于在放电弱的情况 下等离子体中荷电粒子数少而导致之间的相互作用弱，而随着电压增高放电变强，等离 子体中的荷电粒子数量增加使相互排斥变强。 在研究针一环结构时，固定气体流量，两束等离子体能在较小的激发电压在其相交 部分合并，并且同样地随着电压的增高两束射流也会出现明显的排斥而分离，我们认为 这也主要是等离子体通道之间的空间电荷排斥作用结果。固定激发电压，在较小气流量 下，会表现出排斥作用，但是随着气流量的增大，又会在相交部分弥合，这时的气流动 力学因素成了主导作用。其弥合性是气流动力学因素与空间电荷排斥相比较的一个结 果。 在对放电的电流进行了对比分析后，我们发现在环一板结构下，两管同时放电时的 电流并不是只有一个管放电时的电流两倍，说明了两管同时放电时存在着某些相互抑制 的作用。通过对比实验，我们发现了另一管的气流是影响等离子体放电强弱的一个重要 一5 3 大气压冷等离子体射流双管相互作用的研究 原因。由于实验手段的缺乏，两束等离子体之间是否存在着一个相互抑制的作用在实验 中并不能精确的得出。 总结：在放电弱时，等离子体通道之间容易弥合：但是在放电强时，等离子体通道 之间的相互排斥变强；弥合变的困难；电源频率是我们实验中等离子体射流放电形态的 一个非常重要的因素：气流能够对放电有一定的抑制作用。 在实验中，很多的现象只是我们暂时的一个推论假设，还没能很好的验证与理论计 算，希望能在以后的研究中得到更好的解释。并且在试验中对于含有带电粒子气流的动 力学因素考虑的不是很充分。 大连理工大学硕士学位论文 参考文献 1 t o n k sl ，l a n g m u i ri o s c i l l a t i o n si ni o n i z e dg a s j p h y s r e v ，1 9 2 9 ，3 3 ( 2 ) ：1 9 5 2 1 0 2 徐学基，诸定昌气体放电物理 m 上海：复旦大学出版社，1 9 9 6 3 c h e nff 著林光海译等离子体物理学导论 m 北京：人民教育出版社，1 9 8 0 4 王德真低温等离子体理论讲义 m 大连：大连理工大学，2 0 0 6 5 张锐，黄碧霞，何友昭原子光谱分析 m 合肥：中国科技大学出版社，1 9 9 1 6 v a nd e rm u l l e njam e x c i t a t i o ne q u i l i b r i ap l a s m a ；ac l a s s i f i c a t i o n j p h y s r e p ， 1 9 9 0 ，1 9 1 ( 2 - 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