[论文解读] Experimental study of atmospheric pressure single-pulse nanosecond discharge in pin-to-pin configuration

Xingxing Wang, Adam Patel+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 60被引用 21

一句话总结

本实验研究在常压下针对针结构中单脉冲纳秒放电，采用多诊断技术表征火花放电与电晕放电模式。主要发现表明，在间隙小于6 mm、脉冲能量密度为0.6–1 mJ/mm时，火花放电达到最高电子密度（7.5×10¹⁵ cm⁻³）、电流（22 A）和气体温度（4,000 K），其中85–89%的能量在二次击穿前沉积；而大间隙下的电晕放电使用约0.1 mJ/mm的能量，各项参数显著降低。

ABSTRACT

In this work, we present an experimental study of nanosecond high-voltage discharges in a pin-to-pin electrode configuration at atmospheric conditions operating in single-pulse mode (no memory effects). Various discharge parameters, including voltage, current, gas density, rotational/vibrational/gas temperature, and electron number density, were measured. Several different measurement techniques were used, including microwave Rayleigh scattering, laser Rayleigh scattering, optical emission spectroscopy enhanced with a nanosecond probing pulse, fast photography, and electrical parameter measurements. Spark and corona discharge regimes were studied with discharge pulse duration of 90 ns and electrode gap sizes ranging from 2 to 10 mm. The spark regime was observed for gaps < 6 mm using discharge pulse energies of 0.6-1 mJ per mm of the gap length. Higher electron number densities, total electron number per gap length, discharge currents, and gas temperatures were observed for smaller electrode gaps and larger pulse energies, reaching maximal values of about 7.5x10^15 cm-3, 3.5x10^11 electrons per mm, 22 A, and 4,000 K (at 10 us after the discharge), respectively, for a 2 mm gap and 1 mJ/mm discharge pulse energy. Initial breakdown was followed by a secondary breakdown occurring about 30-70 ns later and was associated with ignition of a cathode spot and transition of the discharge to cathodic arc. A majority of the discharge pulse energy was deposited into the gas before the secondary breakdown (85-89%). The electron number density after the ns discharge pulse decayed with a characteristic time scale of 150 ns governed by dissociative recombination and electron attachment to oxygen mechanisms. For the corona regime, substantially lower pulse energies (~0.1 mJ/mm), peak conduction current (1-2 A), and electron numbers (3-5x10^10 electrons per mm), and gas temperatures (360 K) were observed.

研究动机与目标

• 表征无记忆效应影响下，常压条件下针对针电极几何结构中单脉冲纳秒放电的特性。
• 比较不同电极间隙（2–10 mm）和脉冲能量下火花与电晕放电模式的差异。
• 测量并分析电子数密度、气体温度、电流及能量沉积动力学等关键离子体参数。
• 确定脉冲后电子数密度的时间演化及衰减机制，识别主要的复合过程。
• 通过隔离单脉冲行为，为未来纳秒重复脉冲（NRP）放电研究建立基准数据。

提出的方法

• 使用脉冲宽度为90 ns、峰值电压25 kV的高压纳秒脉冲发生器（重复频率1 Hz），以确保无记忆效应。
• 采用微波瑞利散射技术测量电子数密度和气体密度。
• 应用激光瑞利散射与纳米秒时间分辨的光学发射光谱（OES）技术，测定转动温度（Trot）和振动温度（Tvib）。
• 利用高速摄影与电流/电压探头（带宽3 GHz）捕捉放电动态及传导电流。
• 通过从总电流中减去位移电流（由dV/dt与电容计算得出）来测量传导电流。
• 在2–10 mm间隙距离下进行实验，通过串联电阻（200–400 Ω）调节脉冲能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在常压下单脉冲纳秒放电中，火花与电晕放电模式的关键离子体参数有何主要差异？
• RQ2 能量沉积特性在放电过程中如何演变，特别是二次击穿前沉积的能量比例？
• RQ3 哪些电子损失机制主导了脉冲后电子数密度的衰减过程？
• RQ4 放电参数（电流、电子密度、温度）如何随电极间隙距离与脉冲能量变化？
• RQ5 基于气体密度与温度的恢复时间，记忆效应在何种重复频率下开始出现？

主要发现

• 在2 mm间隙、1 mJ/mm脉冲能量的火花放电中，电子数密度峰值达7.5×10¹⁵ cm⁻³，电流峰值为22 A，气体温度在放电后10 μs达到4,000 K。
• 在火花放电模式中，85–89%的脉冲能量在二次击穿前沉积到气体中，二次击穿发生在初始击穿后30–70 ns。
• 二次击穿与阴极斑点点火及向阴极电弧的转变相关，表明应将脉冲宽度限制在30–70 ns以内以避免该模式。
• 电子数密度的衰减主要受解离复合与氧分子对电子的附着控制，特征衰减时间为150 ns。
• 在8–10 mm间隙的电晕放电模式中，传导电流峰值仅为1–2 A，电子数密度约为3–5×10¹⁰ 个电子/mm，气体温度为360 K。
• 基于气体密度与温度的恢复时间，预计在纳秒重复脉冲（NRP）运行中，当脉冲重复频率超过1 kHz时，记忆效应将开始出现。