大气压非平衡等离子体射流的形成机理及影响因素

从上述结果来看，管外导体可以抑制主等离子体射流的推进，但可以产生二次等离子体射流，对等离子体子弹的推进速度也有显著的影响。显然，介质管外的导体对管内的电场分布产生了显著的影响。为了更详细地了解这些现象，下面通过等效法测量了导体的电势。

图2.6.5　不同位置处等离子体子弹的推进速度[25]

对比普通介质管和管外放置生理盐水层，放电参数与图2.6.2相同

实验发现采用锡纸代替生理盐水层，所观测到的实验现象不会发生变化。因此为了便于操作，下面用锡纸代替生理盐水层。实验装置如图2.6.6（a）所示。一根半径为100μm的钢针插入玻璃管中。在离针2cm处，在管外粘贴一个3cm宽的锡箔环。为了便于观察，沿介质管轴向在锡箔环上开了一条0.5mm的缝隙。另一个4mm长的锡箔环贴在第一个锡箔环右侧4cm处。这两个环由一条1mm宽的锡箔条连接。

首先，在针电极上施加脉冲高压，此时会在右环的右侧产生一个二次射流。第二步，断开针电极与高压电源的连接，使针电极悬浮。然后在锡箔环上施加一个脉冲高压，则右环的右侧也会产生一个射流。调节该脉冲电压的幅值，使右环产生的射流与高压加在针上产生的二次射流一样长。从而认为第二步中施加在锡箔环上的电压近似等于第一步中在锡箔环上产生的电势。

利用这种方法，分别测得施加在针上的电压为7.5kV、8.0kV和8.5kV时锡箔环的电势，如图2.6.6所示，它们的电势分别为5.7kV、6.0kV和6.3kV。尽管这一测量方法非常粗糙，但已经可以证明导体上的电势高到足以维持等离子体子弹的推进。这解释了产生二次射流的原因。同时，这一测量结果还表明大量的表面电荷积聚在介质管的内表面，特别是在导体所覆盖的部分。由于主等离子体子弹前方的电场为正，因此介质管内表面的正电荷将显著降低主等离子体子弹头部的电场强度，最终导致等离子体子弹减速并停止推进。

图2.6.6　利用等效法测量介质管外导体上的电势[25]

图（b）、（d）、（f）中，高压加载到针电极，介质管外导体悬浮；图（c）、（e）、（g）中，高压加载到管外导体上，针电极悬浮

图2.6.7给出了锡箔覆盖面积对主等离子体射流长度的影响。管外无锡箔时，如图2.6.7（a）所示，等离子体射流长约7cm。当管外覆盖一条长7cm、宽1mm的锡箔条时，如图2.6.7（b）所示，等离子体射流长6.3cm，此时没有产生二次等离子体射流。在图2.6.7（c）中，管外覆盖一条锡箔条和六个锡箔环，锡箔条与图2.6.7（b）相同，锡箔环宽1mm。此时产生的主等离子体射流长5.4cm，在锡箔条的最右端产生一个长度约3 mm的微弱二次等离子体。可以看出，一次等离子体射流的长度随着锡箔覆盖面积的增大而减小。

图2.6.7　锡箔覆盖区域面积不同时射流的照片[25](www.xing528.com)

（a）管外无锡箔；（b）管外覆盖一条长7cm、宽1mm的锡箔条；（c）管外覆盖一条与图（b）中相同的锡箔条，以及6个宽度1mm的平行锡箔环

下面研究了介质管壁厚度对等离子体的影响。在图2.6.8（a）和图2.6.8（b）中，管壁厚度为0.5mm，电极上的电压分别为8.5kV和5.5kV。主等离子体射流的长度分别为5cm和4cm。二次等离子体射流的长度为大于4.5cm和1.8cm。当管壁厚1mm，外加电压为8.5kV和5.5kV时，主等离子体射流长度为5.7cm和4.2cm。二次等离子体射流的长度为4cm和0cm。也就是说，管壁越厚，一次等离子体射流越长，二次等离子体射流越短。

图2.6.8　不同厚度的介质管中的N-APPJ照片，外加电压和介质管厚度见图中标注[25]

（a）厚度=0.5mm；（b）厚度=0.5mm；（c）厚度=1mm；（d）厚度=1mm

为了了解二次等离子体射流产生的原因，下面给出了不同气体流量对等离子体射流特性的影响，如图2.6.9所示。当气体流速从700mL/min减小到50mL/min时，主等离子体射流和二次等离子体射流的长度均减小。此外，当气体流量减小到25mL/min时，二次等离子体射流消失。

图2.6.9　不同气体流速下APPJ的照片[25]

图2.6.10　N-APPJ照片

（a）介质管畅通；（b）～（c）介质管堵塞[25]

为了进一步深入了解气体流动对射流的影响机制，下面给出了堵塞介质管对射流行为影响的实验结果。如图2.6.10所示，当用绝缘胶封闭生理盐水层所覆盖的管段时，针电极上的电压升高到9.5kV也不能产生二次等离子体射流。只有当电压进一步升高到13kV时才能观察到二次等离子体射流。这说明除了管外的导体在主射流放电产生较高的电势外，主等离子体射流产生的活性粒子在二次等离子体射流的产生中也起着重要的作用。