目錄

• 1、戴 棟：從非線性動(dòng)力學(xué)角度再認(rèn)識(shí)和理解大氣壓介質(zhì)阻擋放電

• 2、盧新培：大氣壓非平衡等離子體射流的研究

• 3、周前紅：高功率微波大氣擊穿的理論研究

• 4、施蕓城：千赫茲、兆赫茲大氣壓輝光放電及其應(yīng)用

【精彩發(fā)言】

1、戴 棟：從非線性動(dòng)力學(xué)角度再認(rèn)識(shí)和理解大氣壓介質(zhì)阻擋放電

先簡(jiǎn)單介紹一下我為什么會(huì)做這方面的工作。我以前不是研究氣體放電的，從研究生學(xué)習(xí)開(kāi)始，我一直從事電力電子電路與系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象研究。2009年，我從西安交通大學(xué)調(diào)動(dòng)到華南理工大學(xué)，碰巧接觸到了一些大氣壓介質(zhì)阻擋放電中非線性現(xiàn)象的研究工作。上午清華大學(xué)的王新新老師也提到了，大連理工大學(xué)王德真老師的研究小組最早開(kāi)始進(jìn)行了大氣壓介質(zhì)阻擋放電中的非線性動(dòng)力學(xué)研究。看了他們的研究工作，再加上自己具有一定的非線性動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)，因此，我也嘗試著繼續(xù)做一些工作，今天就簡(jiǎn)單給大家匯報(bào)一下我的一些工作進(jìn)展和想法。

首先給大家介紹一下非線性動(dòng)力學(xué)的基本概念。考慮到在座的大多是等離子體方面的專(zhuān)家，對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)不太熟悉，因此我就從最簡(jiǎn)單的離散映射系統(tǒng)開(kāi)始為大家進(jìn)行介紹。這個(gè)映射系統(tǒng)雖然看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但足以讓大家比較好地理解非線性動(dòng)力學(xué)的基本概念。Logistic映射數(shù)學(xué)表達(dá)式是xn+1=rxn(1-xn)，它是非線性動(dòng)力學(xué)里非常基礎(chǔ)的一個(gè)例子。盡管Logistic映射看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它已經(jīng)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，即它的狀態(tài)變量是隨時(shí)間演化的。對(duì)于我們現(xiàn)在討論的Logistic映射，比如說(shuō)第n步是xn，那第n+1步是什么呢?很簡(jiǎn)單，由映射關(guān)系就可以得到xn+1。我們來(lái)觀察它隨時(shí)間會(huì)如何演化，比如說(shuō)從x0開(kāi)始，迭代第一步得到x1，再得到x2，一直迭代下去我們最終可以觀察到映射的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，那我們究竟可以觀察到什么樣的穩(wěn)態(tài)行為呢?這其實(shí)就是非線性動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)主要內(nèi)容。我們來(lái)看這么一個(gè)簡(jiǎn)單的Logistic映射，圖1給出了它的分岔圖。顯然，映射最終的穩(wěn)態(tài)行為是與映射的參數(shù)有關(guān)系的，通過(guò)圖1的分岔圖我們就可以觀察映射在各個(gè)參數(shù)下的穩(wěn)態(tài)行為。

例如，當(dāng)r=2.5時(shí)，Logistic映射的穩(wěn)態(tài)很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，也稱(chēng)為周期一點(diǎn)。如果:再增加，比如增加到2. 9，這時(shí)穩(wěn)態(tài)依然還是個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，和r=2.5時(shí)的穩(wěn)態(tài)對(duì)比，穩(wěn)態(tài)行為并沒(méi)發(fā)生性質(zhì)的變化。進(jìn)一步增加到3. 0時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)還是個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，但這時(shí)候與2. 9時(shí)有一點(diǎn)變化，這時(shí)映射處于一種臨界狀態(tài)，如果參數(shù)r再增加一點(diǎn)就無(wú)法觀察到之前的不動(dòng)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)行為，所以我們認(rèn)為在r=3.0處Logistic映射發(fā)生了分岔現(xiàn)象。進(jìn)一步增加參數(shù)r到3. 1時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)已經(jīng)不是不動(dòng)點(diǎn)或周期一，而是周期二了。周期二就是指穩(wěn)態(tài)行為在兩個(gè)點(diǎn)之間來(lái)回的振蕩。進(jìn)一步增加r到3. 45時(shí)，映射又進(jìn)人了周期二的臨界狀態(tài)，當(dāng)然我們認(rèn)為這時(shí)也發(fā)生了分岔現(xiàn)象。進(jìn)一步增加r我們還可以觀察到周期四穩(wěn)態(tài)，即在這四個(gè)點(diǎn)之間來(lái)回振蕩形成一個(gè)完整的軌道。剛才我們已經(jīng)觀察到周期一到周期二的倍周期分岔以及周期二到周期四的倍周期分岔，隨著r繼續(xù)增加，我們還可以進(jìn)一步地觀察到倍周期分岔，如周期四到周期八、周期八到周期十六、周期十六到周期三十二等等。顯然，隨著倍周期分岔的持續(xù)發(fā)展，映射穩(wěn)態(tài)將呈現(xiàn)越來(lái)越大的周期態(tài)，這個(gè)周期態(tài)在極限情況下周期將無(wú)窮大，就變?yōu)榱艘粋€(gè)非周期行為，我們稱(chēng)之為混沌態(tài)，這就是非線性動(dòng)力學(xué)中典型的倍周期分岔通向混沌的路徑。通過(guò)這個(gè)Logistic映射的例子，我們簡(jiǎn)單地認(rèn)識(shí)了一下什么是分岔。分岔其實(shí)從定義上來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，它就是指當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)改變時(shí)，動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)定性行為發(fā)生變化的一種現(xiàn)象。分岔描述的是系統(tǒng)隨參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，不同類(lèi)型的分岔其細(xì)節(jié)也不一樣，我們可以進(jìn)一步地定義不同的分岔現(xiàn)象，因?yàn)闀r(shí)間原因這里就不給大家詳細(xì)展開(kāi)了。

那混沌又是什么呢?混沌就是動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在某些參數(shù)下產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，以Logistic映射為例，當(dāng)r>3.57時(shí)會(huì)發(fā)生混沌行為。那混沌行為有什么特點(diǎn)呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在混沌狀態(tài)下你會(huì)發(fā)現(xiàn)映射隨時(shí)間演化的結(jié)果并不呈現(xiàn)某種周期性，同時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)映射演化的結(jié)果對(duì)初值極其敏感。也就是說(shuō)從不同的初值x0出發(fā)，演化很長(zhǎng)時(shí)間后，例如100萬(wàn)步后，會(huì)觀察到它們的演化結(jié)果是完全不一樣的，這就叫作對(duì)初值的敏感性。另外要說(shuō)明的是，Logistic映射很簡(jiǎn)單，是一個(gè)確定性的動(dòng)力系統(tǒng)，但是它產(chǎn)生的混沌行為是非周期的，就像隨機(jī)結(jié)果一樣。這就很奇怪了，因?yàn)橐粋€(gè)不包含隨機(jī)因素的確定性動(dòng)力系統(tǒng)，當(dāng)它處于混沌狀態(tài)時(shí)它看起來(lái)就像是

一個(gè)隨機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果，這也是混沌的一個(gè)重要特征。關(guān)于混沌嚴(yán)格的定義目前仍然還有一定的爭(zhēng)議，但我們通常說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)是混沌的，如果這個(gè)系統(tǒng)具有以下三個(gè)性質(zhì):初值敏感性;拓?fù)渖系幕旌咸卣?周期軌道是稠密的。

剛才講的Logistic映射是一個(gè)離散動(dòng)力系統(tǒng)，下面給出一個(gè)連續(xù)動(dòng)力系統(tǒng)的例子，該系統(tǒng)非常有名，叫作洛倫茲系統(tǒng)，是1969年洛倫茲在研究氣象模型時(shí)提出的：

洛倫茲系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的三維自治ODE方程組，洛倫茲發(fā)現(xiàn)在某些參數(shù)下該系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)混沌行為。圖2給出了洛倫茲系統(tǒng)具有雙渦卷特征的混沌吸引子相圖，注意其軌道是永不重復(fù)的。

我們這里研究的大氣壓介質(zhì)阻擋放電和剛才講的非線性動(dòng)力學(xué)到底有什么關(guān)系呢?圖3是華南理工大學(xué)的放電實(shí)驗(yàn)原理圖。從電路的角度來(lái)看，這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有一個(gè)交流電源，這個(gè)電源連接到放電室中，放電室里有電極和阻擋介質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中我們可以直接測(cè)量電源電壓和放電電流。

下面給出一組實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中氣隙寬度保持在2. 08mm，阻擋介質(zhì)用的是石英玻璃，其相對(duì)介電常數(shù)為3. 6，電源電壓頻率保持在26. 6kHZ不變，只通過(guò)調(diào)節(jié)電源的幅值來(lái)觀察放電現(xiàn)象。我們首先觀察到當(dāng)電源電壓峰一峰值Vpp=1755V時(shí)，可以得到周期一的放電電流波形(周期一是指放電電流周期與外施電源電壓的周期完全一樣)。觀察得到的電源電壓圖形，是可以比較明顯地看出放電電流為周期一的。此外，我們還可以看看由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的電源電壓一放電電流相圖，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是包含很多干擾和誤差的，因此在相圖中周期一軌道并不是非常完美的重合，但大致來(lái)看還是可以認(rèn)為是周期一的。如果要再細(xì)致地確認(rèn)軌道的周期性，我們可以進(jìn)一步來(lái)觀察放電電流的頻譜。對(duì)放電電流進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)后得到的放電電流頻譜。觀察0 —25次諧波的頻譜放大圖，可以看出在基波的整數(shù)倍處有明顯的頻率分量,25一50次諧波的頻譜放大圖中也有同樣的情形。所以，從頻譜的角度來(lái)說(shuō)我們可以認(rèn)為此時(shí)的放電電流波形是周期一的。

如果把電源電壓的氣P值再增加一些到1800 V，我們會(huì)觀察到周期二的放電。從電源電壓和放電電流波形圖，大致可以看出一些周期二的模式。從相圖中可以看出區(qū)別于周期一放電時(shí)的一個(gè)環(huán)，這時(shí)相圖里表現(xiàn)為兩個(gè)環(huán)，當(dāng)然在電流脈沖這里相圖的重復(fù)性依然不是太好，那我們就來(lái)看看放電電流的頻譜。從0一25次諧波的頻譜放大圖中，可以發(fā)現(xiàn)，不僅在整數(shù)次諧波處有頻率分量，在整數(shù)次諧波之間也存在著頻率分量，在25一50次諧波的頻譜放大圖中，也存在著同樣的情形。所以，通過(guò)頻譜圖可以明顯看出放電電流的基波頻率其實(shí)是電源電壓頻率的一半，即放電電流的周期是電源電壓周期的兩倍。

我們進(jìn)一步增加Vpp值到1830V，從電源電壓和放電電流波形圖看，大致可以認(rèn)為是周期四的模式。在相圖中只能觀察到兩個(gè)環(huán)，無(wú)法由此判斷放電電流的周期四特征。在0—25次諧波的頻譜放大圖中可以發(fā)現(xiàn)，不僅在整數(shù)次諧波處有頻率分量，在整數(shù)次諧波之間也存在著頻率分量，再仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)在一些1/4基波的整數(shù)倍處也存在著頻率分量。在25—50次諧波的頻譜放大圖中，已經(jīng)可以明顯觀察到存在1/4基波整數(shù)倍的頻率分量。因此，我們認(rèn)為放電電流的基波頻率是電源電壓頻率的1/4，即放電電流的周期是電源電壓周期的四倍。

進(jìn)一步增加Vpp值到1847 V，我們可以觀察到混沌態(tài)放電。在電源電壓和放電電流波形圖中已無(wú)法明顯看出放電電流的周期性。對(duì)比之前周期放電時(shí)的相圖，這時(shí)相圖中的軌道看起來(lái)很稠密。在0— 25次諧波的頻譜放大圖中還可以看出主要是在諧波處有頻率分量，但是在25—50次諧波頻譜放大圖中，我們可以明顯地發(fā)現(xiàn)并不只在諧波處存在頻率分量，這時(shí)的頻譜圖具有連續(xù)頻譜分布的特征。所以，我們認(rèn)為此時(shí)放電處于混沌態(tài)。在以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，我們觀察到了周期一、周期二、周期四以及混沌態(tài)放電，所以，我們認(rèn)為這就是非線性動(dòng)力學(xué)中典型的倍周期分岔通向混沌的路徑。它的動(dòng)力學(xué)機(jī)理到底是怎么回事呢?我們可以用這個(gè)公式來(lái)分析氣隙電壓，即Vg=Vin？ + Vab，這里Vg是氣隙電壓，Vin是外施電源電壓，Vab是阻擋介質(zhì)上累積電荷產(chǎn)生的等效電壓。顯然，氣隙電壓Vg由Vin和Vab兩部分共同疊加作用。對(duì)周期一放電的數(shù)值進(jìn)行仿真，根據(jù)之前的公式可知，氣隙電壓減去外施電壓即為阻擋介質(zhì)上累積電荷產(chǎn)生的等效電壓Vab。在Vab> 0部分，根據(jù)外施電壓方向的不同，Vab分別可以起到抑制放電和助推放電的作用。同樣的，在Vab< 0部分，Vab也分別可以起到抑制放電和助推放電的作用。

我們?cè)賮?lái)看一下在一個(gè)周期內(nèi)Vab的變化過(guò)程。在一個(gè)周期內(nèi)Vab的分布分為兩部分，即大于零和小于零兩部分，這兩個(gè)部分的轉(zhuǎn)換是由放電導(dǎo)致的介質(zhì)板上的電荷反向引起的。剛才已經(jīng)指出，無(wú)論是Vab>0還是甄Vab<0部分，又可以進(jìn)一步劃分為抑制放電和助推放電兩個(gè)區(qū)間，它們的轉(zhuǎn)換是通過(guò)外施電壓換向?qū)崿F(xiàn)的。因此，再重新看一下整個(gè)周期可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)其實(shí)有四個(gè)區(qū)域，在這個(gè)四個(gè)區(qū)域里阻擋介質(zhì)或助推放電或抑制放電，它們由放電或外施電壓換向產(chǎn)生切換或轉(zhuǎn)換。

介質(zhì)板對(duì)放電的作用，不僅有助推有利于放電的作用，還有抑制放電的作用，這兩種作用是交替進(jìn)行的，它們最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)精妙的平衡。剛才給出的是最基本最簡(jiǎn)單的周期一放電下的例子，在一定條件下如果剛才所述的那種平衡狀態(tài)不能保持穩(wěn)定，那么就可能進(jìn)人其他的平衡狀態(tài)并表現(xiàn)為其他的放電形態(tài)，例如周期二放電甚至混沌態(tài)放電。

總結(jié)一下，我認(rèn)為大氣壓介質(zhì)阻擋放電是一個(gè)多物理場(chǎng)藕合的動(dòng)力學(xué)時(shí)空系統(tǒng)，在一定的條件下自然會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為。那研究其非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)理有什么用呢?我是這么想的:首先，通過(guò)非線性動(dòng)力學(xué)可以從宏觀層面上解釋一些放電現(xiàn)象，比如說(shuō)之前提到的分岔、混沌、斑圖、不對(duì)稱(chēng)放電、多脈沖放電等等；其次，如果能徹底搞清楚放電的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，那就有可能去嘗試采取某種措施對(duì)放電現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)控。這是我目前所能想到的一些可能的應(yīng)用。

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2、盧新培：大氣壓非平衡等離子體射流的研究

我今天主要講我們實(shí)驗(yàn)室做的等離子體射流的一些裝置，也講一點(diǎn)等離子體子彈的行為，主要是動(dòng)態(tài)過(guò)程。主要包括三個(gè)部分，我們實(shí)驗(yàn)室的惰性氣體射流、空氣射流，最后講講等離子體子彈的射流。

我們實(shí)驗(yàn)室的惰性氣體射流，跟國(guó)外比較明顯的區(qū)別是，高壓電極是用電極介質(zhì)管包的，有的人問(wèn)我不用包是不是也可以產(chǎn)生，是的，但我們?yōu)槭裁从眠@個(gè)包起來(lái)?因?yàn)槲覀儗?shí)驗(yàn)室主要做生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究，如果不用介質(zhì)管包，人的手太靠近電極可能就被電了。我們的這個(gè)，手碰到很久才會(huì)感覺(jué)到有一點(diǎn)溫，但是沒(méi)有任何電的感覺(jué)，我們做了牙醫(yī)設(shè)備，國(guó)外有一些人總說(shuō)做了一些生物方面的設(shè)備，沒(méi)多久就返修，我們這個(gè)已經(jīng)用了幾年根本沒(méi)有任何問(wèn)題，安全性沒(méi)問(wèn)題。在我們測(cè)之前，大家總覺(jué)得射流攜帶的電流應(yīng)該很小，在大氣中應(yīng)該是微亞量級(jí)，結(jié)果我們測(cè)出是幾百毫安，這之后多篇文章也是用與我們同樣的方法進(jìn)行測(cè)量，有的用交流的，一般就是幾十毫安或者幾毫安，脈沖的上百毫安，射流雖然噴在空氣中，電流還是很大的，當(dāng)然還是脈沖的過(guò)程。我們實(shí)驗(yàn)室做了幾個(gè)不同的射流裝置，叫它射流因?yàn)樗际钱a(chǎn)生在周?chē)諝庵校菃坞姌O的，主要是牙醫(yī)的應(yīng)用，可能需要增量，做高速攝影照片也是比較均勻的，為了考慮到更加均勻做了一個(gè)等離子刷，手可以一直接觸。不銹鋼針通過(guò)電阻連到脈沖電源上，針上是高電壓的(6一7kv)，但是人手可以碰，我們?yōu)槭裁醋鲞@個(gè)針?因?yàn)樽鰧?shí)驗(yàn)根管治療，大概深1一2cm，直徑1mm左右，如果用等離子體的噴嘴，想把活性粒子推進(jìn)去是很難的，因?yàn)檫@是一個(gè)密封的通道，國(guó)外做的殺菌效果都不理想，因?yàn)橥ǖ捞睢Ｋ詾榱藢?duì)根管進(jìn)行治療，必須把等離子體產(chǎn)生在里面，要產(chǎn)生在里面，里面要有高壓，但牙齒的導(dǎo)電性是非常好的，所以我們不能讓這東西傷害牙齒，而我們做的這個(gè)雖然有高壓，但手是可以抓的，也可以放到人的口腔里。等離子體產(chǎn)生在牙齒中，你手抓哪哪就會(huì)變亮，整個(gè)口腔都是非常亮的，這就是射流跟人體接觸的一個(gè)例子。

針上的電壓有6000 V，真正的放電電流大概是10 mA。當(dāng)手碰到針時(shí)，針上因?yàn)闆](méi)有壓降了就是沒(méi)有射流了，手離開(kāi)后射流又產(chǎn)生了，所以這種針?lè)旁谘例X里是沒(méi)有任何安全問(wèn)題的。

下面講一下空氣等離子體射流，我們做了三個(gè)裝置，價(jià)格分別是2萬(wàn)美元，三四千美元，三四百美元。最貴的脈沖直流放電加了電容電子，電壓總共才1萬(wàn)伏，所以間距只有幾毫米，遠(yuǎn)了就放不了電了，這是電流電壓的特性，脈沖電壓就是針上的電壓，大概1. 5kV，放電電流其實(shí)很大，第一個(gè)是1. 5A，后面就小一些，0. 5A}放電都是穩(wěn)定的，不是隨機(jī)的。1. 5A對(duì)人沒(méi)事。做出這個(gè)之后，我們就想看用直流電源可不可以，大家知道用直流電源加上電阻放電，幾十年前這就有人做了，但是當(dāng)間隙距離段或者電壓稍微高一點(diǎn)，總會(huì)從輝光放電變成流注，你如果用這個(gè)做等離子體醫(yī)學(xué)應(yīng)用是沒(méi)法用的，一個(gè)是氣溫高，一個(gè)是電，我們這里做的就是讓它不會(huì)轉(zhuǎn)換成流注，怎么放都不會(huì)轉(zhuǎn)換成流注放電，都是輝光放電。雖然是直流，放電也還是脈沖的，這是我們這套裝置放電的一個(gè)特性，因?yàn)槲覀円３謿怏w溫度，直流是非常難的，所以放電還是脈沖的，電流也還是幾十毫安，當(dāng)然脈沖的頻率變了，大概是幾十千赫茲。手放近一點(diǎn)就放電，手碰到針，因?yàn)闆](méi)有壓降就不放電，離開(kāi)又繼續(xù)放電。這個(gè)裝置可以說(shuō)是真正的第一個(gè)用電子驅(qū)動(dòng)的等離子體射流裝置。和前面那個(gè)有點(diǎn)類(lèi)似，電壓是直流的，但是放電電流是脈沖的，但是它的脈沖寬度要寬一些，100ns左右。

下面講一點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程，大家都認(rèn)為它是電驅(qū)動(dòng)的，所以有惰性氣體射流，我們做了一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，如果電壓低一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)裝置一模一樣，在完全相同的條件下拍三幅，發(fā)現(xiàn)有的時(shí)候它也有隨機(jī)性，這就跟流注有點(diǎn)像了，重復(fù)性也是在一定條件下重復(fù)的，電壓低了就失去了重復(fù)性。大家認(rèn)為這是由于空氣中的氮?dú)鈹U(kuò)散引起的，我們做了一個(gè)很簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，射流里面加一點(diǎn)氮，變成實(shí)心的。這里為什么能引起大家的興趣?很重要的一個(gè)原因就是子彈往前推后面有一個(gè)黑通道，這個(gè)黑通道電導(dǎo)率到底怎么樣?事實(shí)上它雖然是黑的，但電導(dǎo)率是非常高的，因?yàn)樗碾娮用芏仁欠浅８叩模鼮槭裁床话l(fā)光?因?yàn)殡妶?chǎng)不夠，我們看到的光是從氮來(lái)的，而氮的激發(fā)態(tài)壽命很短，不被激發(fā)，它就發(fā)不了光，所以電場(chǎng)低，電子溫度就非常低，就沒(méi)有光，有的模型認(rèn)為這個(gè)黑通道電導(dǎo)率非常高，有的認(rèn)為非常低，但是都沒(méi)有定論，計(jì)算表明這個(gè)通道的電導(dǎo)率其實(shí)是很高的。我們發(fā)現(xiàn)所有的動(dòng)態(tài)過(guò)程都是關(guān)于惰性氣體的，但是不是所有都射流?因?yàn)橛幸恍┛諝獾纳淞鳌⒌獨(dú)獾纳淞鞑灰彩请婒?qū)動(dòng)嗎?我們?yōu)榱丝纯词遣皇且粯拥模隽撕芎?jiǎn)單的一個(gè)氮?dú)馍淞餮b置，產(chǎn)生的射流最多接近2cm，電流脈寬幾十納秒。我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，對(duì)所有的射流，不僅僅是這個(gè)，我們?cè)嚵撕枚啵灰拥兀还苁遣皇侵苯咏拥兀氵€沒(méi)有碰到它就拐彎了，就不往前推進(jìn)了。但這個(gè)射流，根本就不會(huì)構(gòu)成影響，我們甚至把它放前面，它還繞著跑，說(shuō)明它的電測(cè)性跟惰性氣體是完全不一樣的。為了看它的區(qū)別，我們就看看它的速度是否一樣，它的速度只有幾百米每秒，而前面的都是幾十甚至上百千米每秒，我們算了一下它的氣體的速度，跟這個(gè)是非常接近的。后面我們繼續(xù)用空氣做了，也測(cè)了空氣的速度，速度一模一樣。

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3、周前紅：高功率微波大氣擊穿的理論研究

首先簡(jiǎn)單介紹一下研究背景，我們組是研究高功率微波的，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)高功率微波峰值功率已經(jīng)達(dá)到吉瓦量級(jí)，達(dá)到這個(gè)量級(jí)之后就會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，比如說(shuō)高功率微波在傳輸中會(huì)發(fā)生大氣尾蝕、微波從微波源器件發(fā)射出來(lái)的時(shí)候也會(huì)發(fā)生擊穿，這些都不利于高功率微波的產(chǎn)生和傳輸，但是微波擊穿形成等離子體也為高功率微波的應(yīng)用提供了一些應(yīng)用前景，比如說(shuō)有的學(xué)者就提出可以使用高功率微波產(chǎn)生人造電離層，用人造電離層產(chǎn)生人造臭氧層。上午很多老師介紹了等離子體流動(dòng)控制、等離子體助燃，微波產(chǎn)生等離子體也可以用于流動(dòng)控制和助燃。微波大氣等離子體屬于低溫弱電離等離子體，主要是通過(guò)電子碰撞電離，早期做的比較簡(jiǎn)單，20世紀(jì)40年代就開(kāi)始做一些擊穿闌值測(cè)量，很多等離子體研究都是這樣，基本上把等離子體發(fā)光作為一個(gè)判據(jù)。由于微波源功率的提高可以研究更大壓強(qiáng)范圍、更大頻率范圍的微波放電，近期很多研究組開(kāi)始研究超音速和跨音速的微波放電，使用快速照相可以得到等離子體區(qū)域的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)。莫斯科無(wú)線電研究所進(jìn)行了這方面的研究，他們的研究背景主要是助燃和流動(dòng)控制或減阻，比較了超音速的放電和在靜止大氣中的微波放電，他們還做了微波等離子體箍縮，說(shuō)可以使用微波等離子體箍縮產(chǎn)生中子，但他們裝置剛做實(shí)驗(yàn)就因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問(wèn)題拆掉了，所以具體詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)他們沒(méi)有。俄羅斯學(xué)者提出了人造電離層和臭氧層，由于在大氣中的實(shí)驗(yàn)很難做，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)使用兩束微波相交，然后看形成等離子體的區(qū)域形狀。

在2008—2009年，MIT(麻省理工學(xué)院)用快速照相測(cè)到了等離子體區(qū)域向微波源方向移動(dòng)的速度[實(shí)驗(yàn)的氣壓是710torr（1torr=133.322Pa），微波頻率是110GHz]，發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)和波矢所在的平面等離子體呈絲狀，在磁場(chǎng)和波矢所在的平面是一系列的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)等離子體區(qū)域都是向微波源方向移動(dòng)。MIT另外一個(gè)小組研究了更大壓強(qiáng)范圍和功率范圍內(nèi)的微波等離子體區(qū)域形狀，他們得出的結(jié)論是這樣的:高氣壓下是絲狀，中等氣壓下是片狀或者說(shuō)魚(yú)骨形的結(jié)構(gòu)，低氣壓是連續(xù)等離子體區(qū)域，他們也發(fā)現(xiàn)不同氣壓條件下等離子體區(qū)域都是向微波源方向移動(dòng)的。我們對(duì)MIT的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬。我們使用的理論模型比較簡(jiǎn)單，就是描述電磁波的Maxwell方程組和描述等離子體的電子運(yùn)動(dòng)方程，電子運(yùn)動(dòng)方程稍微變形一下就會(huì)變成一個(gè)電流密度的控制方程，還有電子數(shù)密度方程，參數(shù)都是實(shí)驗(yàn)上的一些擬合公式，電離頻率表示電子的增長(zhǎng)，它對(duì)場(chǎng)強(qiáng)有一個(gè)5.33次方的依賴(lài)關(guān)系，因?yàn)檎掣皆斐傻碾娮訐p失，氧氣有電負(fù)性。對(duì)控制方程進(jìn)行離散，由于電磁波與等離子體的時(shí)空尺度差別很大，我們?cè)谀M中對(duì)它們使用了不同的時(shí)空步長(zhǎng)。二維模擬中我們使用的計(jì)算區(qū)域是，波矢沿著z方向傳播，如果是一維的在)方向平移對(duì)稱(chēng)就行了。

首先看一維的結(jié)果，初始電子數(shù)密度給的是半徑為50μm的高斯分布。為了和實(shí)驗(yàn)比，我們?nèi)〉奈⒉l率也是110GHz。在t=6ns時(shí)，由于等離子體密度還比較小，所以它對(duì)電磁波基本上沒(méi)有吸收和反射，所以在整個(gè)計(jì)算區(qū)域，微波振幅是不變的；隨著等離子體密度的增長(zhǎng)，在t=15ns時(shí)，等離子體密度已經(jīng)增長(zhǎng)到1015cm-3，這時(shí)等離子體對(duì)微波有吸收，也會(huì)反射，反射的結(jié)果就在等離子體上游形成一個(gè)駐波結(jié)構(gòu)，駐波的第一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)最大值距離等離子體是1/4波長(zhǎng)，當(dāng)種子電子擴(kuò)散到強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的時(shí)候就會(huì)有一個(gè)新的等離子體絲出現(xiàn)，新的等離子體絲出現(xiàn)之后也會(huì)對(duì)微波形成反射，如此反復(fù)就會(huì)有等離子體絲在上游不斷出現(xiàn)。二維的結(jié)果和一維基本上是一樣的，等離子體反射微波形成的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)形成一個(gè)弧形區(qū)域，等離子體絲不僅向微波源方向移動(dòng)，還會(huì)向兩邊擴(kuò)散。

下面看一下壓強(qiáng)對(duì)等離子體區(qū)域形狀的影響。760torr時(shí)我們前面已經(jīng)介紹過(guò)了，當(dāng)壓強(qiáng)降低的時(shí)候，剛開(kāi)始時(shí)可以看到一些絲狀結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的推移它會(huì)過(guò)渡一個(gè)連續(xù)區(qū)，在200 torr的時(shí)候基本上看不到一個(gè)絲狀的，出現(xiàn)的都是連續(xù)區(qū)域。這主要是因?yàn)榈入x子體的產(chǎn)生有兩種作用，一個(gè)是電離，另一個(gè)是擴(kuò)散。電離作用會(huì)導(dǎo)致在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)形成高密度等離子體，而擴(kuò)散作用會(huì)抹平這種密度差異，所以在高氣壓下，擴(kuò)散系數(shù)比較小，會(huì)形成絲狀等離子體區(qū);低氣壓擴(kuò)散比較大，所以會(huì)形成一個(gè)連續(xù)的等離子體區(qū)。我們的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)基本上是一致的，當(dāng)壓強(qiáng)降低到400torr時(shí)，磁場(chǎng)和波矢所在面是一個(gè)片狀結(jié)構(gòu)，到200torr時(shí)它是一個(gè)連續(xù)的等離子體區(qū)域。

下面看電場(chǎng)和波矢所在面的結(jié)果，在400torr和200torr的時(shí)候，它會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較漂亮的魚(yú)骨形，等離子體對(duì)電磁波的反射不僅在它的上游會(huì)形成一個(gè)駐波結(jié)構(gòu)，在等離子體兩側(cè)也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，當(dāng)種子電子擴(kuò)散到兩個(gè)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)時(shí)，就會(huì)在這兩邊形成新的等離子體區(qū)域，新的等離子體區(qū)域也會(huì)向微波源方向移動(dòng)，最終也會(huì)成為一個(gè)魚(yú)骨形，我們模擬的等離子體區(qū)域形狀和實(shí)驗(yàn)定性上符合得很好。

從前面可以看出，在垂直于電場(chǎng)方向和平行于電場(chǎng)方向等離子體的運(yùn)動(dòng)是不一樣的。當(dāng)?shù)入x子體密度達(dá)到一定程度的時(shí)候，由于和電磁波相互作用，在等離子體沿著電場(chǎng)方向的兩端形成強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的作用下，等離子體就會(huì)被拉長(zhǎng)，拉長(zhǎng)之后兩端的場(chǎng)就會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，這樣就不斷地拉長(zhǎng)，直到它上游出現(xiàn)一個(gè)新的等離子體絲。新的等離子絲重復(fù)這個(gè)過(guò)程，如此反復(fù)，它會(huì)有一個(gè)等離子體絲向微波源方向移動(dòng)。

下面看一下相交微波束大氣擊穿的模擬結(jié)果，我們首先算了同頻率微波相交的情況，此時(shí)相干疊加之后，由于干涉作用，會(huì)形成電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱分布。我們首先模擬一下種子電子在弱場(chǎng)區(qū)的情況。因?yàn)樵诖髿庵蟹N子電子是偶然出現(xiàn)的，有可能出現(xiàn)弱場(chǎng)區(qū)，如果出現(xiàn)在弱場(chǎng)區(qū)，它需要擴(kuò)散，擴(kuò)散到強(qiáng)場(chǎng)區(qū)之后電子碰撞分子發(fā)生雪崩電離，形成的等離子體沿著強(qiáng)場(chǎng)區(qū)做趨源運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向沿著)=:的這條線。形成的等離子體的區(qū)域是一個(gè)等離子體絲帶，當(dāng)然如果把氣壓降低，會(huì)發(fā)現(xiàn)絲帶就會(huì)過(guò)渡為一個(gè)等離子體帶。圖1給了幾個(gè)典型時(shí)刻的等離子體密度分布和場(chǎng)強(qiáng)的分布，在20ns的時(shí)候，由于靠近等離子體區(qū)域最強(qiáng)的場(chǎng)是沿著)=:這條線的，當(dāng)?shù)入x子體絲帶長(zhǎng)度增加到一定程度的時(shí)候，在其左上和右下區(qū)域，相當(dāng)于把兩個(gè)微波場(chǎng)隔開(kāi)，這兩個(gè)區(qū)域相當(dāng)于只有一個(gè)單微波的作用，在兩邊有新的等離子體絲帶。如果初始電子出現(xiàn)在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，電子碰撞分子就會(huì)雪崩電離，形成等離子體。等離子體區(qū)域也是沿著J=:這條線做趨源運(yùn)動(dòng)。下面簡(jiǎn)單比較了同頻和非同頻微波相交的大氣擊穿，同頻相當(dāng)于相干疊加，非同頻相當(dāng)于非相干疊加，模擬時(shí)間都是80ns，初始的種子電子數(shù)都一樣，可以發(fā)現(xiàn)在相干的情況下，即使把種子電子源放到場(chǎng)強(qiáng)最小的地方，產(chǎn)生等離子體的區(qū)域也大于非相干的情況，而且產(chǎn)生的最大電子數(shù)也是大于非相干的情況。總結(jié)主要有三點(diǎn)，一個(gè)是區(qū)域隨壓強(qiáng)的變化，還有等離子體做趨源運(yùn)動(dòng)，還有相干比非相干的等離子體區(qū)域比較大。

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4、施蕓城：千赫茲、兆赫茲大氣壓輝光放電及其應(yīng)用

在這里主要聊一聊有關(guān)千赫茲和RF下大氣壓輝光放電及其一些應(yīng)用。這些內(nèi)容大部分是以石建軍教授為主的我們團(tuán)隊(duì)的一些工作。關(guān)于DBD，前面講過(guò)它有很多好處但也有一些問(wèn)題，比如說(shuō)它的不均勻性等。我們的想法是把射頻或高頻引人到大氣壓放電下，使它產(chǎn)生通常意義下的輝光放電。

如果一個(gè)幾十赫茲的信號(hào)或者電壓加在兩個(gè)極板上就會(huì)產(chǎn)生絲狀放電，升高電壓，絲狀放電有可能就會(huì)增多。介質(zhì)阻擋層限制了放電電流的增加。上極板附近會(huì)有一個(gè)發(fā)光區(qū)，下極板也會(huì)有。在半個(gè)周期內(nèi)放電在一個(gè)極板附近。每半個(gè)周期內(nèi)放電時(shí)的強(qiáng)度有所不同，一個(gè)極板附近稍微弱一點(diǎn)。這是因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)電極不是電對(duì)稱(chēng)的。

氣流從一側(cè)進(jìn)人系統(tǒng)，出口附近加一個(gè)電極。在其正前方是另外一個(gè)電極，這個(gè)電極可近可遠(yuǎn)，該電極是接地的，因?yàn)樽鰧?shí)驗(yàn)的時(shí)候外面總是要有接地的。由此我們就能看到一個(gè)JET。它的整個(gè)放電過(guò)程實(shí)際是在整個(gè)周期電壓上升的某個(gè)區(qū)域才能產(chǎn)生的。看到的現(xiàn)象跟同行前面說(shuō)的相似，看上去像是一束等離子體，用ICCD拍出來(lái)以后是像“子彈”樣的東西。整個(gè)“子彈”區(qū)域的光強(qiáng)分布有一些特點(diǎn)，如強(qiáng)度分布會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰，“子彈”以超音速運(yùn)動(dòng)等。一個(gè)JET只能處理很小的一點(diǎn)，如果把多個(gè)JET做成一個(gè)陣列，能形成一個(gè)大面積的處理。JET的直徑2. S mm，所產(chǎn)生作用的區(qū)域大概23 mm，所以一個(gè)JET出來(lái)的等離子體強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響范圍是非常大的。如果要擴(kuò)大它的作用范圍，由7個(gè)JET構(gòu)成直徑大概8mm的結(jié)構(gòu)，作用范圍可以擴(kuò)大到35 mm，還可以做更大陣列。

上面描述的是正弦激勵(lì)的方式，下面我們看一下脈沖激勵(lì)的方式。這里脈沖電壓不是很高，大概就是1kV。對(duì)于在電極間不加介質(zhì)的情況和DBD的情況，同樣加這樣一個(gè)脈沖，這兩種放電的特征有一點(diǎn)不一樣。不加介質(zhì)阻擋的時(shí)候在電壓下降沿有一個(gè)大的電流峰，我認(rèn)為真正的放電(或說(shuō)電離)在電壓上升時(shí)已經(jīng)開(kāi)始。有介質(zhì)阻擋的時(shí)候，在電壓上升到一定的程度后，當(dāng)電壓變化率產(chǎn)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生形成較大的放電電流。然后在電壓后沿下降的時(shí)候又產(chǎn)生一次放電，當(dāng)然這兩處放電的機(jī)理應(yīng)該是不同的。一種粗淺的理解是這樣的，第一次放電是通常意義上的，放電以后氣體中產(chǎn)生的電離正負(fù)電荷，在電壓變化變化時(shí)，會(huì)使它們的漂移云輝光很強(qiáng)。由于電壓不變，放電產(chǎn)生的正負(fù)電荷在這個(gè)穩(wěn)定的電場(chǎng)作用下向兩邊集聚，電極間電場(chǎng)減弱。到了電壓下降沿的時(shí)候，外加電壓去掉了，在兩極附近積累的電荷由于自身建立的電場(chǎng)作用而產(chǎn)生放電，即空間電荷產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)激發(fā)放電。內(nèi)建電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，所以形成反向電流。

大家都知道，任何放電，等離子體中離子的運(yùn)動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)的速度是不一樣的，在小于離子振蕩的時(shí)空變化范圍內(nèi)，一定會(huì)形成空間電荷。我們把一個(gè)連續(xù)的正弦高頻放電變成脈沖的，在脈沖的情況下整個(gè)放電過(guò)程中就不會(huì)像正弦的情況下產(chǎn)生絲狀放電。在脈沖的上升和下降過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電荷的重新分布，由于脈沖非常短，絲狀放電的建立就很難。

下面介紹射頻放電，我們企圖將把介質(zhì)板去掉，在射頻放電下獲得均勻放電。大家知道在射頻放電中有 α模式和γ模式，α模式下所放電形成的特點(diǎn)，穩(wěn)定而充滿(mǎn)空間，γ模式之下兩個(gè)極板之間放電形成的特點(diǎn)，局部收縮而不穩(wěn)定。在某個(gè)頻率下放電的電流達(dá)到一定程度，就進(jìn)人為α模式，如果再增加它的電流就進(jìn)人γ模式。α模式當(dāng)然比γ模式的放電區(qū)域分布范圍更加廣，能夠分布到整個(gè)電極，也就是我們通常所說(shuō)的均勻性會(huì)好一點(diǎn)。所以要控制這兩個(gè)之間的放電狀況變化，就是控制這里的電流。控制這電流可以是一個(gè)穩(wěn)流源，或外加的可控電壓，就能在一定的頻率下把整個(gè)放電控制在α模式上。在APGD和DBD情況下，它們的α模式相似，電壓或電流增加到一定程度，α模式和γ模式之間會(huì)轉(zhuǎn)化。如果在一定射頻下放電時(shí)間的足夠長(zhǎng)，維持在α模式當(dāng)然是非常好的一件事情，但是它所注人的能量也非常高，在處理材料的時(shí)候等離子體放電注人的能量與所需要的能量相比就會(huì)很大，這就會(huì)造成電極非常熱，甚至把被處理材料燒壞，所以，我們?cè)噲D在射頻上面加上一點(diǎn)脈沖控制，使得它產(chǎn)生有效的作用以后停止放電。因?yàn)橐坏┩Ｖ狗烹姡瑢?shí)際上里面活性的粒子還會(huì)存在，只要有相應(yīng)的處理效果以后，沒(méi)必要一直持續(xù)的放電，所以在連續(xù)放電的射頻電壓上加了一個(gè)脈沖。

如果兩個(gè)脈沖間隔比較近，那么跟連續(xù)就沒(méi)什么差異，因?yàn)槊}沖撤銷(xiāo)以后，即射頻消失以后，電極間還存在的空間電荷，也就是有電子和離子分離存在，這些電子在第二脈沖上來(lái)后就會(huì)參與放電，這時(shí)與連續(xù)放電差異性就不大了。如果脈沖間隔范圍足夠?qū)挘@就成為兩個(gè)不同的放電，兩個(gè)放電之間是不相關(guān)的。如圖1( I)是脈沖之間間隔非常小的時(shí)候，稱(chēng)為連續(xù)模式；下面的Ⅲ是脈沖之間間隔非常大的時(shí)候，稱(chēng)為分離模式，我們可以看到整個(gè)放電的峰值電流要小不少。在它們之間，(II)稱(chēng)為傳輸模式，在兩個(gè)脈沖之間，電子沒(méi)有完全消亡的情況下放電電流與占空比的關(guān)系。共有上述三個(gè)過(guò)程，可見(jiàn)脈沖的間隔長(zhǎng)短對(duì)放電的影響不是由占空比決定，主要是考慮電極之間間距和里面所參與的空間電荷分布變化。

 然后我們把脈沖寬度進(jìn)一步縮短，整個(gè)占空比的寬度大概到6%的情況下，脈寬被調(diào)至非常短，增加到8%以后，放電的均勻性稍微差一點(diǎn)。因?yàn)樵谏舷聝蓚€(gè)極之間存在“鞘”的增加，實(shí)際上就是那個(gè)地方有過(guò)多的空間電荷的分布存在，所以說(shuō)它的均勻性就差一點(diǎn)。加了一定脈沖調(diào)制以后，在不同的電流和電壓情況下放電模式發(fā)生變化。在一定的電流和電壓下，均勻放電的模式會(huì)轉(zhuǎn)變掉了。低的占空比會(huì)有更寬的a模式運(yùn)行范圍。所以說(shuō)通過(guò)控制一定的電流和一定的電壓就能保持a模式放電的狀態(tài)。

用長(zhǎng)50cm、間距5cm的電極板做了一個(gè)射頻的放電模式。我們用上面介紹的JET做了滅菌實(shí)驗(yàn)，細(xì)菌的存活數(shù)量得到了有效的下降。在這里主要看一下對(duì)化纖的處理效果，圖2的左圖是沒(méi)有處理過(guò)的，中圖是200 W處理的，右圖是800 W處理的。這兩個(gè)之間有什么區(qū)別呢?中圖顯示纖維表面有溝槽出來(lái)，這任何化纖在等離子體處理情況下刻蝕的一個(gè)特征，在低真空情況下的射頻放電都會(huì)有溝槽刻蝕出來(lái)。但是在大氣壓輝光放電的情況下，表面有許多圓形體產(chǎn)生。我認(rèn)為不單純有刻蝕，而且有表面熔融的狀態(tài)出來(lái)。所以說(shuō)，在大氣壓射頻放電對(duì)表面的作用是相當(dāng)強(qiáng)的。雖然每個(gè)脈沖時(shí)間比較短，但是它的作用非常強(qiáng)。