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最常見的放電現(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。近年來納秒脈沖技術(shù)的發(fā)展不僅降低了應(yīng)用過程中的能量成本，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)用中對瞬態(tài)火花放電進(jìn)行更好的控制，針對一些至關(guān)重要的問題，如對快速放電擊穿過程和活性物種的產(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納秒脈沖內(nèi)的火花放電擊穿現(xiàn)象，通過聯(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程。同時，利用時間分辨的光學(xué)發(fā)射光譜（OES）技術(shù)對放電過程中產(chǎn)生的各活性物種的產(chǎn)生及其淬滅過程進(jìn)行了分析，并對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程以及放電模式演化過程的圖像，同時，利用DG645同步納秒脈沖電源以及發(fā)射光譜儀完成對放電過程中產(chǎn)生的活性粒子的產(chǎn)生和淬滅過程的診斷。

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，同時可以觀察到明亮的陰極亮斑的存在。隨放電時間延長至283 ns，火花放電通道開始發(fā)展，且放電通道持續(xù)變寬。283ns之后，火花放電通道開始熄滅，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

由于初始擊穿過程和流光到火花階段的轉(zhuǎn)換過程通常在幾納秒的時間尺度內(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程圖像，采集的時間窗口分別設(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)開到10ns的時間窗口下時（Δ t=100 ps)，可更加清晰地觀測到火花放電通道的擊穿和產(chǎn)生的過程（圖4）。圖中可見在陰極亮斑出現(xiàn)之前存在一個均勻放電的階段，這個階段大概持續(xù)了1.8ns，而這個階段在圖2中無法被ICCD相機(jī)分辨出來。條紋相機(jī)圖像清楚地揭示了火花通道形成的五個過程。（1）初始均勻放電階段；（2）陰極亮斑的出現(xiàn)；（3）兩個電極附近陰極絲及陽極絲的出現(xiàn)；（4）陰極絲及陽極絲的傳播；（5）陰極絲及陽極絲的匯合以及火花放電通道的形成。

圖4. 10ns時間窗口下條紋相機(jī)采集到的火花放電圖像

配置推薦

本文火花放電的快速分解和演化過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)時間分辨率可達(dá)到5ps，可匹配多種焦長光譜儀，快速追蹤火花放電、爆炸等超快發(fā)光的動力學(xué)過程。

基于條紋相機(jī)的超快時間分辨系統(tǒng)

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