近日，大連理工大學(xué)物理學(xué)院的楊德正教授團(tuán)隊(duì)在納秒火花放電中的超快擊穿過(guò)程的研究中取得新進(jìn)展，研究成果以”Fast breakdown process and characteristics diagnosis of nanosecond pin-pin discharge”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊“Journal of Physics D: Applied Physics”上。

大氣壓下電極之間的火花放電是*常見(jiàn)的放電現(xiàn)象，其應(yīng)用也十分廣泛。單脈沖高能量輸入和產(chǎn)生的豐富的活性物種使火花放電在CO2分解、甲烷轉(zhuǎn)化和固氮等領(lǐng)域受到極大關(guān)注。近年來(lái)納秒脈沖技術(shù)的發(fā)展不僅降低了應(yīng)用過(guò)程中的能量成本，而且促進(jìn)了火花放電在等離子體輔助燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，為了在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)瞬態(tài)火花放電進(jìn)行更好的控制，針對(duì)一些至關(guān)重要的問(wèn)題，如對(duì)快速放電擊穿過(guò)程和活性物種的產(chǎn)生機(jī)制等還需要進(jìn)行更加深入的研究。

本文系統(tǒng)地研究了大氣壓下單個(gè)納秒脈沖內(nèi)的火花放電擊穿現(xiàn)象，通過(guò)聯(lián)合使用條紋相機(jī)與ICCD相機(jī)，捕捉到了單脈沖內(nèi)火花放電通道的擊穿及演化過(guò)程。同時(shí)，利用時(shí)間分辨的光學(xué)發(fā)射光譜（OES）技術(shù)對(duì)放電過(guò)程中產(chǎn)生的各活性物種的產(chǎn)生及其淬滅過(guò)程進(jìn)行了分析，并對(duì)納秒脈沖火花放電等離子體的氣體溫度以及電子密度等特性進(jìn)行了診斷。

實(shí)驗(yàn)裝置圖如下圖所示，放電電極由兩根鎢針組成，電極間隙控制在2mm，火花放電由納秒脈沖電源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。利用DG645同步納秒脈沖電源、條紋相機(jī)以及ICCD相機(jī)捕獲火花放電超快擊穿過(guò)程以及放電模式演化過(guò)程的圖像，同時(shí)，利用DG645同步納秒脈沖電源以及發(fā)射光譜儀完成對(duì)放電過(guò)程中產(chǎn)生的活性粒子的產(chǎn)生和淬滅過(guò)程的診斷。

圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

從圖2所示的ICCD圖像中可以看到，放電擊穿起始于第48 ns，同時(shí)可以觀察到明亮的陰極亮斑的存在。隨放電時(shí)間延長(zhǎng)至283 ns，火花放電通道開(kāi)始發(fā)展，且放電通道持續(xù)變寬。283ns之后，火花放電通道開(kāi)始熄滅，且放電強(qiáng)度逐漸變?nèi)酢?/span>

圖2.  火花放電通道演化的ICCD圖像

由于初始擊穿過(guò)程和流光到火花階段的轉(zhuǎn)換過(guò)程通常在幾納秒的時(shí)間尺度內(nèi)完成，ICCD相機(jī)難以捕捉到其中變化，因此需要使用分辨率更高的條紋相機(jī)，圖3-4為條紋相機(jī)采集到的火花放電過(guò)程圖像，采集的時(shí)間窗口分別設(shè)置為980ns（Δ t=9.8ns）以及10 ns（Δ t=9100 ps）。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在形成放電通道的初期，靠近負(fù)極的放電發(fā)光更強(qiáng)。而在形成放電通道之后，正極附近的放電更強(qiáng)一些。1500ns之后，火花放電通道熄滅，而在負(fù)極附近仍然可以觀察到放電等離子體的余輝。

圖3. 980ns時(shí)間窗口下條紋相機(jī)采集到的火花放電圖像

當(dāng)把條紋相機(jī)開(kāi)到10ns的時(shí)間窗口下時(shí)（Δ t=100 ps)，可更加清晰地觀測(cè)到火花放電通道的擊穿和產(chǎn)生的過(guò)程（圖4）。圖中可見(jiàn)在陰極亮斑出現(xiàn)之前存在一個(gè)均勻放電的階段，這個(gè)階段大概持續(xù)了1.8ns，而這個(gè)階段在圖2中無(wú)法被ICCD相機(jī)分辨出來(lái)。條紋相機(jī)圖像清楚地揭示了火花通道形成的五個(gè)過(guò)程。（1）初始均勻放電階段；（2）陰極亮斑的出現(xiàn)；（3）兩個(gè)電極附近陰極絲及陽(yáng)極絲的出現(xiàn)；（4）陰極絲及陽(yáng)極絲的傳播；（5）陰極絲及陽(yáng)極絲的匯合以及火花放電通道的形成。

圖4. 10ns時(shí)間窗口下條紋相機(jī)采集到的火花放電圖像

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https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad2bde

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本文火花放電的快速分解和演化過(guò)程采用使用卓立漢光公司的ST-10條紋相機(jī)采集得到。ST-10條紋相機(jī)時(shí)間分辨率可達(dá)到5ps，可匹配多種焦長(zhǎng)光譜儀，快速追蹤火花放電、爆炸等超快發(fā)光的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

基于條紋相機(jī)的超快時(shí)間分辨系統(tǒng)

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