第十一章 带超声速气流的辉光放电发生器

第十一章带超声速气流的辉光放电发生器辉光放电GD的不稳定性一般可以分成两种形式:静电极区域的不稳定性和正柱CK的不稳定性。

按照惯例：在一个区域出现不稳定性会刺激另一个区域的不稳定性。

在个别情况下，也可以观察到与这惯例偏离的情况（例如：在逆正柱的放电），随着压力的提高，也提高了产生正柱不稳定的可能性，就如在静电极区域一样，增加了它们的相互影响。

在泵送超声速气体的条件下，在放电区提高压力可以提高放电稳定性。

因为当相应的超声速流组合时，气体粒子的分布使得，静电极区放电处于一个压力下，而正柱处于另一个压力之下。

因此，当利用超声速时，出现了对每一个区域都有一个自己放电的理想条件。

同样在超声速气体辉光放电中，还存在着另一些优点：第一，超声速流保证很快地在放电区域更换气体；第二，由于超声速流在喷管中的气动冷却，出现了在工作气体单位质量投入更多的有效能量的可能性；第三，超声速流动允许在电极之间的空间建立不均匀的气体粒子分布，既有沿轴流向也有横向。

这些是不可能在亚声速中达到的。

在［１］中研究过在空气超声速流中的横向ＧＤ。

如果在经过超声速喷管向放电室流动的空气中保持比较低的压力，在形成的焓值射流中就可以点燃横向的放电。

在放电伏安特性中，研究过它的压力和外形、流动的滞点温度，由环氧树脂做的喷管截面的临界直径为2.1 mm。

在实验中，如果当电极是自流动的外面时，放电围绕流动。

当点燃电极时，里面就开始放电，在流动中燃烧，但是，同时在流动中很明显出现了密度的跳跃及强扰动。

为了去掉这种扰动，［１］的作者利用板式电极，用热电偶测量温度的结果表明（这些热电偶是放在专门的顶盖上），在这个放电室里可以观察到空气温度和投入放电的电弧功率的关系成正比，相当于每瓦提高0.8℃，而且文献判断，30%的功率是在加热气体。

但同时也出现了由于电极放电的跳跃使得流动闪动，当然也就改变了这个估计。

另外，在超声流气体中应用辉光放电的另一个方向是，在超声速流中泵送激光为预加热（～2·103 K），然后由于在超声速喷管中的绝热膨胀而冷却。

在绝热膨胀中产生了气体温降，就使亚稳态转移冻结。

由于这个结果出现了反转填满的振动态（或者是另外的态），根据这个原则，就有气动激光的工作［２,３］。

在［４］中报道过超声速电离NO2激光器。

在超声速流中的电离放电是在两个电极间激发的，下面的分段电极是300×240mm2，由332个铜销钉组成，直径是12 mm，放电由电子束控制。

在这个工作中也提到，超声速流的不均匀性对放电稳定性有很大的影响，还有密度跳跃边界，及声学的扰动。

特别有希望作为电极环节的是，带中心体的环形轴对称喷管。

根据在这些喷管里DG放电所得的实验结果，可以应用于相应的不同目的的放电室，就可以确定在这个领域里科学研究的现实性。

在［５］放电室（ＧＤ）是一个轴对称的带头圆柱中心体的微型喷管，见图１１.１。

这种ＧＤ放电室的伏安特性看来是下降的，见图１１.２。

图１１。

1带着超声速流动气体的放电室图１１。

2带着超声速流动气体的放电室伏安特性研究在超声速流中的放电实验设备包括电源、气源、真空系统、放电室及测量仪表，实验设备的主要系统如图１１.３。

放电室由环形轴对称的喷管（阳极），及作为阴极的中心体组成，这种放电室存在的尖锐问题是，如何减少电极环节的过热。

解决它可以有两种办法：减少电极的放电密度或者是加强传热。

图１１。

3电极及主要的电系统第一个办法曾用是在阴极物体上镀了厚度为～20微米的镍来实现。

此阴极具有最小的电位降，在空气里ＧＤ时接近～200V。

由于流过的气体很稀薄，而且处在有电极的条件下，在空气中导热既困难又不够有效。

所以在阴极处的功率密度特别强，加大功率会导致放电性质变坏，因为大电流会把电极损坏。

所以把冷气体流经过有通过中心体的孔道，就能促进阴极的冷却。

但是这个气流会在中心体的端部提高压力，会影响放电的性质，因为那里的放电会向喷管的临界截面方向靠近。

图１１.４表明这种在氮气中的放电［６,７］。

可以看得很清楚，这种放电室的中心物体所带的孔几乎是完全水平的。

同样条件下，带孔的中心体放电电压比不带孔的中心体高出120V 。

放电电压的提高可以用在更高气体密度的区域有更高的放电运动来解释。

另外一个有效冷却阴极的方式是提高材料的热导。

在这种情况下阴极中发出的热可以流向气体压力更高的区域，这时在这区域的传热情况会更强些。

为了研究这个现实，曾经进行一个专门的实验，在由铜和БРОЦ制成的中心体的表面上镀上一层厚度为20微米的镍，它可以保证阴极过程的同电位，铜的热导系数比БРОЦ高４倍。

图１１.４给出了应用这种中心体的放电（曲线Ａ、Ｂ）。

很清楚，如果电压增加，铜制中心体的放电电流减少但不大（曲线Ａ）。

同时对БРОЦ，曲线是下降的。

这种在伏安特性上的差别，很显然可以用阴极不同的传热状态来解释。

由于由БРОЦ做成的阴极的热传导不好，所以在同样条件下，阴极温度比其它要高一些，尤其是在大电流区域，第一放电电压相比。

图１１。

4 在氮气中的放电特性ＵＩ实线：a －带孔的铜阴极；b －БРОЦ带孔；c －不带孔的铜。

虚线：突然膨胀的喷管，镀镍的铜阴极；１－放电室进口处压力为1×105Pa ；2－2×105Pa ；3－3×105Pa 。

在一般的情况下，电场强度在这种放电室里随着气流的方向改变，这是因为增加了电极之间的距离，以及横向流动。

引进的电场强度E/N ，看起来是一个坐标复杂的函数，因为沿着气体流动的气体浓度Ｎ的非线性改变。

但是在研究的放电室里，电极的中间距离要比放电室的长度小很多，可以认为电场强度可以被径向分量Ｒ来决定。

因为开始的放电是发生在最大E/N 值的区域，然后随着电流的增加，它们就向邻近的区域发展，所以找到E/N 在电极空间的分布是很有意义的，尤其是在没有放电的时候。

作为第一次近似，对这种电极系统的电位分布，可以以下述方程式来表达01=∂∂∂∂rr r r ϕ（１１.１） 相应的边界条件是以下的形式()()[]a a k a k a r r r r ln ln /ln 1ϕϕϕϕ--=（１１.２）这里a ϕ，k ϕ，a r ，k r —阴极和阳极相应的电位跟半径。

为了在带中心体的气动喷管中，用表来确定气动函数的分布？？？，可以计算E/N(r,z)。

在表１１.１列出了实验中对于一种电极的几何形状的E/N(r,z)。

很显然，最大的E/N 是在靠近阴极内端，那也正是放电的地方，实验以后在阴极表面都留下了放电痕迹证明了这一点。

如果改变喷管的角度，就可以导致沿着阴极表面，气体粒子浓度Ｎ分布的改变。

由盖那定理，正常电流密度const Nj k 2，这里k j －阴极电流密度。

这就得到，如果改变Ｎ，就大大改变沿着阴极的电流密度。

因此如果放电开始是产生在E/N 具有最大值的气体低密度区域，随着电流的增加，阴极斑可能就沿着气流向上延伸。

表１１。

1 E/N 在放电室中的微分布，10-17V ·㎝2。

为了研究喷管几何形式对放电性质的影响，曾经运用过圆柱表面的喷管，突然膨胀为喇叭型。

带着增加的进口压力，这种放电的伏安特性成为下降趋势，尽管在大电流区域（300mA ）也有可能是增长的趋势，见图１１.５。

这样的放电行为可以用以下方式解释：在气体超音速放电室里，电极之间的距离大约１mm ，放电很困难。

因为靠近阴极的过程决定了电流的分布是正柱，导致在不同的阴极表面放电局域化，而且这取决于放电室压力的分布。

根据盖尼定律，随着压力的增加，放电是向流动的下流移动，因为这时在阴极上的电流密度增加了。

对于突然膨胀的喷管，尽管伏安特性曲线（图１１.４，１１.５）是水平的，而且所达到的电流不超过400mA 。

图１１。

5 伏安特性曲线在氮气中（点划线），在圆锥喷管中（虚线），在空气中突然膨胀的喷管中（实线）。

（１～３）见图１１.４。

在这种情况下，尽管在不同压力下，放电基本上是一样的，而且放电在电极表面也不发生大的移动，所以在这种放电中就存在一种“滞后”斑。

至于在小范围的区域里，伏安特性经常是下降的。

至于到放电环节小电流区域，在放电环节之后大电流区域，伏安特性是水平的。

伏安特性存在水平段，可以用阴极面积的增加来解释，因为阴极是被放电占住，而且可以把放电移向锥形截面。

去路的存在可以这样解释，当电流增大和减少时，放电沿着电极表面的运动是不一样的。

在增加电流时，放电的移动是向流动上方的，所以要求更高的电压，比减少电流时维持电压要大［８］。

当利用锥形喷管时，所达到的电流是大约500～600 mA。

考虑到电极损失比能量密度达到250 J/g，应当指出的是，放电电压的增加是随进口压力的增加而增加。

这可以用同时有两因素的相互作用来解释：１、增加进口压力就导致了放电区域中的压力，且这区域放电是在开始时低压实现的；２、随着压力的增加，根据盖尼定理，在阴极上电流密度就会增加，为了保证这样和那样的电流，这就要求在小的阴极面积，放电就会向流动下方移动，也就是增加进口压力是必要的，相应地也增加了放电区的压力。

在超音速流中，辉光放电不稳定性的发展，电流和电压的脉冲具有很大的意义。

在图１１.６－a，列出了在氮气中放电的电流电压典型的波形图，条件是锥形喷管、振荡频率大约是２０kHz，电流振荡幅度是１５mA，或者是电流的２５％。

在大气压空气中放电的脉动性质就比较复杂一些(见图１１.６－b)，而且放电不是那样的稳定，在电流的脉动带着２０kHz频率时，还要加上更高频的脉动，频率为５０kHz，幅度２５mA，所以最后的波形图具有复杂的形状。

这一点可以从示波器很明显地看出来。

电压的幅度是大约１０～１５Ｖ，而且电压在电流脉动的反应下带着一些滞后（～10-5S）。

随着电流的增加，更高频率的脉动就消失了，放电就变得比较稳定，脉动的幅度也减少了［９］。

图１１。

6电流脉动（上曲线）和电压脉动（下曲线）a－氮气放电，b－空气放电。

锥形喷管，电流100 mA；时标0.2 ms，电压标100 V，电流标25 mA。

这些脉动的产生也是很有趣的，对它们的解释可以用如下方式。

所前所述，随着电流的增加而电压又不变的情况下，在小电流时阴极斑是向阴极的端部转移。

阴极斑向流动的上方转移，在阴极斑占住了一定的环以后，相应于一个不动的电流，电流的增加产生在不断增加的以环为形式的阴极斑，而且在阴极上形成一定的楔子。

这时整个放电电流都集中在一定的部件，电流增加了，电压减少了，当达到一个数值时，楔子上的放电也就变暗，电流减少到以前的数值，电压也回来，一切都恢复。

这也被电流沿着阴极分布的计算证明了。

如果在阴极上的电流密度是正常的，就应该服从盖尼定理，在阴极上的电流密度是和压力P2成正比。

电流随着阴极斑长度X的关系可以用下面公式表示()[]()⎰=xx dS x p j x I 0)(。