實驗(yan)名稱(cheng)：輝光放電(dian)特征(zheng)及風速測(ce)量原理

　　研(yan)究方向：輝光放電

　　測試設備：信號發生器、ATA-8202射頻功率放大器，熱成像儀、萬用表、等離子體傳感器

　　實驗過程：

在等(deng)離子體(ti)(ti)形成條件和流場響應機制的(de)基礎上，可以明確(que)影響放電穩定性和等(deng)離子體(ti)(ti)風速測試(shi)技術性能的(de)主要參數包(bao)括：激勵裝置的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)參(can)數(shu)、電(dian)(dian)極間距、電(dian)(dian)極寬度(du)、電(dian)(dian)極材料、氣體(ti)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)分及(ji)其熱力學參(can)數(shu)。以上(shang)任一個參(can)數(shu)的(de)(de)(de)(de)研究，需保證實驗(yan)中對它的(de)(de)(de)(de)可(ke)控性(xing)和可(ke)測量性(xing)。因此，首先需要(yao)完成(cheng)(cheng)對輝光(guang)放電(dian)(dian)系統和流場(chang)實驗(yan)裝置的(de)(de)(de)(de)搭建(jian)。電(dian)(dian)暈放電(dian)(dian)過渡到(dao)輝光(guang)放電(dian)(dian)，需要(yao)電(dian)(dian)源在電(dian)(dian)極兩(liang)端加載約1kV的有效電壓，而這一擊穿電壓，極易使輝光向火花放電轉變，并燒毀電極。因此，電路中需添加保護電阻以控制電流在一定的范圍內。從研究中可知，放電電流達到10mA左右，正常輝光放電開始向反常輝光放電轉變。為保證放電模式維持在正常輝光放電階段，研究中選用100kΩ電阻串接到放電電路以限制電流的變化。

　　圖2.7為測試系統連接示意圖，放電電壓的監測是通過衰減比1000：1的(de)高(gao)壓(ya)(ya)探針(zhen)連接至示波器(qi)，記錄(lu)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)波形和(he)數據，并最終回傳至電(dian)(dian)(dian)(dian)腦存儲。電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)監測是(shi)通(tong)過測量1kΩ標準(zhun)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻兩端電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，經(jing)過計算(suan)獲得。在放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)實驗中，分別(bie)使用高(gao)壓(ya)(ya)直流電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)和(he)射頻電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)。其中，高(gao)壓(ya)(ya)直流電(dian)(dian)(dian)(dian)是(shi)由輸出較小的(de)信號(hao)發生器(qi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)經(jing)功率放大(da)器放大(da)后得到(dao)。

　　圖：測試系統連接示意(yi)圖

　　為保證(zheng)輝光放(fang)電(dian)(dian)和后端電(dian)(dian)路(lu)的(de)阻抗匹配以(yi)及調(diao)制(zhi)功率下的(de)高壓輸出，電(dian)(dian)源輸出端先連接至(zhi)阻抗匹配器，再經由(you)自行設計的(de)高頻變壓器進行放(fang)大。

　　信(xin)號測試端分別使用示波器和(he)多功能萬用表(biao)。熱(re)成像儀主要用于拍(pai)攝和(he)記錄放(fang)電(dian)(dian)時的等離子體分布和(he)對應電(dian)(dian)流下的電(dian)(dian)極溫度(du)，保證放(fang)電(dian)(dian)操作(zuo)在合適的電(dian)(dian)流下以免損(sun)壞電(dian)(dian)極。

　　為了探尋各變量對放電和等離子體風速(su)測(ce)量技術的影響，需進行單(dan)一(yi)變量控制實驗，所搭建的(de)實驗臺需能夠(gou)實現電(dian)極間距的(de)調整、對準(zhun)、快速更換(huan)和流速測試等操作，其設(she)計和實物如圖2.8所示，主要包括標準風速計、三維移動平臺微型夾具、工業相機和氣流源。所使用的標準氣動探針是兩款量程不一樣的皮托管，不確定度均為1%，測量流速范圍分別為0~120m/s和0300m/s，固定在放電電極的上方，與輝光放電產生的等離子體同時感受來流速度。三維移動平臺的控制精度為10um，搭載的微型夾具可夾持200um以上的電極絲，在工業相機的輔助下，完成電極間距的調整和同軸對準。所示流場出口是直徑為20mm的不銹鋼管，其另一端經由管道連接至氣流源。實驗分別使用大功率鼓風機和高壓氣源作為流場發生裝置，由功率調節器或精密調壓閥進行流速大小的控制。

　　圖：輝光放電流場(chang)測(ce)試(shi)平臺

　　直流輝光(guang)放電(dian)的從陰極到陽極可(ke)以劃分為(wei)：阿斯頓暗區、陰(yin)極(ji)光層(ceng)、陰(yin)極(ji)暗區、負輝區、法(fa)拉第暗區、正柱區、陽極(ji)區，如圖2.9所示，放電穩定后，間隙內存在明顯的分層光區，但隨著間隙的減小，正柱區和法拉第暗區消失，放電只觀察到耀眼的光斑。與長間隙低壓放電所得到的結果不同，空氣中短間隙下輝光放電產生的等離子體更為集中。從陰極開始，最(zui)貼近電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)表(biao)面位(wei)置為阿斯(si)頓暗(an)區(qu)(qu)(qu)該區(qu)(qu)(qu)域電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)的(de)能(neng)量還(huan)不足(zu)以引起激發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)(li)(li)，因(yin)此(ci)(ci)不存(cun)在(zai)(zai)(zai)輻射發(fa)(fa)(fa)光(guang)。進入到(dao)陰極(ji)光(guang)層(ceng)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)能(neng)量已達到(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)(li)(li)所(suo)需的(de)激發(fa)(fa)(fa)能(neng)，在(zai)(zai)(zai)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)中可觀察到(dao)靠近電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)表(biao)面的(de)微弱光(guang)層(ceng)。在(zai)(zai)(zai)陰極(ji)暗(an)區(qu)(qu)(qu)，只有(you)(you)部分電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)還(huan)能(neng)與分子(zi)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)碰撞電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)(li)(li)反應(ying)，因(yin)此(ci)(ci)光(guang)強有(you)(you)所(suo)減弱。進入到(dao)負輝區(qu)(qu)(qu)后(hou)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)基本不發(fa)(fa)(fa)生(sheng)變(bian)化，因(yin)此(ci)(ci)該區(qu)(qu)(qu)域電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)和離(li)(li)(li)子(zi)速(su)度最(zui)小，并形成高密度電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷區(qu)(qu)(qu)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)和離(li)(li)(li)子(zi)復合最(zui)為頻(pin)繁，慢電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)與氣體(ti)分子(zi)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)激發(fa)(fa)(fa)碰撞的(de)概(gai)率加大，所(suo)以發(fa)(fa)(fa)光(guang)增強，在(zai)(zai)(zai)短間隙(xi)內(nei)形成最(zui)高亮(liang)度。陽極(ji)區(qu)(qu)(qu)附近，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)受電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場加速(su)，與分子(zi)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)碰撞激發(fa)(fa)(fa)，并發(fa)(fa)(fa)出弱光(guang)。

　　圖：直流輝光放電

　　當間隙內(nei)形(xing)成穩定的(de)直流輝光放電(dian)，電(dian)路(lu)內(nei)產生了具有一(yi)定周期的(de)震蕩，由示波器記(ji)錄(lu)的(de)陽極電(dian)位(wei)輸出波形(xing)和頻(pin)譜(pu)如圖2.10所示。因為離子遷移速度小于電子的遷移速度，造成陰極位降區(陰極和負輝區之間的區域)內的離子密度大于電子密度，陰極附近正電荷的累積會削弱原來直流電作用下陽極到陰極的電場強度，使得碰撞電離反應速率降低，因此間隙內電荷數量減少，陽極電位增大。當陰極位降區內離子的補充速度小于離子到達陰極后被中和的速度，空間內正離子數量開始減少，對電場的(de)削弱能力(li)有(you)所降低，電(dian)(dian)(dian)(dian)子繁流(liu)反(fan)應速率得(de)到(dao)(dao)恢(hui)復(fu)，增加了間(jian)隙(xi)內(nei)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷數量，因此電(dian)(dian)(dian)(dian)路電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)有所(suo)(suo)增大，陽極(ji)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)勢將(jiang)(jiang)有所(suo)(suo)降低。電(dian)(dian)(dian)(dian)離得(de)到(dao)(dao)的(de)正電(dian)(dian)(dian)(dian)荷將(jiang)(jiang)再次補(bu)充(chong)到(dao)(dao)陰極(ji)位降區形成電(dian)(dian)(dian)(dian)荷累積，并重復(fu)上述過(guo)程(cheng)。實驗(yan)檢測到(dao)(dao)該過(guo)程(cheng)存在一定的(de)重復(fu)周期，震蕩頻率約為23kHz。

　　圖(tu)：直流輝光(guang)放電陽極電勢

　　圖：直流(liu)輝光放電(dian)仿真結果

　　交流(liu)輝光放電(dian)(dian)過程相對(dui)直流(liu)放電(dian)(dian)更為復雜，放電(dian)(dian)不斷經歷著熄(xi)滅、維持和再擊穿的過程。交流(liu)輝光放電(dian)(dian)圖(tu)像及電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流(liu)的波形如圖(tu)2.12所示，放電區間被分為兩個部分：鞘層和等離子體區。

　　圖：交流輝光放電

　　實驗中先將生成的正弦調制信號輸入信號放大器，和直流輝光放電相仿，由于電子的遷移速度遠大于離子，所以每一種物質的通量是不相等的，時均電荷分布主要集中于等離子體區，電極相對等離子體區帶負電位，這一段電場強度大、電荷密度小的空間區域被稱為鞘層。因為交流電作用下電位處于浮動變化，所以等離子體區在間隙內來回震蕩。

　　為進一步(bu)分(fen)析交流電驅動下放(fang)電特征，將(jiang)上述仿真模型電源(yuan)參數改(gai)為(wei)后續實驗變壓器工作頻率140kHz，電壓幅值使放電的有效電為15mAms得到交流輝光放電物理參數的變化如圖2.13所。放電電壓和電流的波形與實驗測到的結果大致相當，在每個周期0.15T位置電壓出現峰值，電流開始增大，此時間隙內的氣體將被擊穿并形成放電：到(dao)0.47T位置，電荷密度快速下降，輝光熄滅，直到下半個周期重新擊穿。交流輝光放電過程間隙內電荷密度變化范圍為10°~102m，產生的電荷在陽極和陰極附近交聚集，兩個電極輪流承受電荷轟擊，所以它們的表面都會受到侵蝕。

圖：交流輝光放電仿真(zhen)結果

　　因為(wei)交流電場中離子到(dao)達電極(ji)表面(mian)的平均速度(du)只(zhi)有4000m/s，是直流放電的四分之一，所以對電極的濺射損傷弱于直流放電。從軸線上電荷速度的分布特點可知，交流輝光放電在流場作用下，等離子體區內的慢速離子先發生逃逸，因為慢速離子密度大，所以輝光放電對流速表現出的靈敏度也相對較大。隨著流場速度的增大，離子逃逸現象發展到鞘層，而這部分電荷密度相對較小，因此表現出的靈敏度應也有所降低。

　　交(jiao)流(liu)輝光放電(dian)空間內離子平均遷移速度約(yue)為10m/s，穿過80um間隙所需的時間約10%s。根據分析，輝光放電離子的遷移速度決定了交流輝光放電允許加載的最高頻率，因此基于該原理風速測量技術的頻響上限可達到15MHz，完全滿足壓氣機對非穩態流場的測試。

　　為(wei)了進一步(bu)證實上述(shu)仿真(zhen)分析(xi)所(suo)得出的結論(lun)，實驗(yan)選用直徑(jing)為(wei)250um的不銹鋼材料作為電極，調整電極間距為80um，使用熱成像儀攝獲取不同電流下的電極溫度，結果如圖2.14所示。開始時，電極表面溫度大致相當，但隨著電流的提高，兩種放電類型電極溫度的差異逐漸增大。其中，直流輝光放電在陰極產生明顯的紅熱，而陽極并未受到明顯的影響；交(jiao)流(liu)(liu)輝光放電(dian)兩電(dian)極形成對稱燒蝕，電(dian)極溫度略低(di)于直(zhi)流(liu)(liu)輝光放電(dian)。當(dang)電(dian)流(liu)(liu)為1.5mAms時，直流放電引起的溫升比交流放電引起的溫升高出近50°C。可見，交流輝光放電對電極的侵蝕能力確實在一定程度上比直流輝光放電弱，這使得電極的使用壽命相對較長。

圖：直流輝光放電與交流輝光(guang)放電對比

　　實驗結果：

　　上述(shu)兩(liang)種放(fang)電模式下(xia)的(de)(de)電流變(bian)化量隨流速增大(da)均逐漸趨于平緩(huan)，這與(yu)仿(fang)真的(de)(de)預期(qi)的(de)(de)結果(guo)一致，可(ke)見(jian)輝(hui)光(guang)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)極產生的(de)燒(shao)(shao)蝕、濺射以及(ji)對(dui)風速的(de)響應(ying)規律靈敏度與間隙(xi)內離(li)子速度和電(dian)(dian)(dian)(dian)荷密度的(de)分布有密切關系。直流(liu)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)雖(sui)(sui)伴隨強烈的(de)非對(dui)稱(cheng)燒(shao)(shao)蝕和較(jiao)低(di)的(de)頻(pin)響，但較(jiao)小的(de)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)下(xia)即可(ke)實(shi)現(xian)較(jiao)大的(de)量(liang)程，因(yin)此(ci)在穩定的(de)高速流(liu)場中更具有應(ying)用(yong)潛力(li)。改用(yong)交流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源驅動(dong)，相同的(de)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)下(xia)雖(sui)(sui)然量(liang)程較(jiao)小，但載(zai)波頻(pin)率的(de)可(ke)調控性使(shi)其頻(pin)響上限遠高于直流(liu)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)，并且輸出(chu)波動(dong)較(jiao)小，放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)更具有穩定性，因(yin)此(ci)交流(liu)輝(hui)光(guang)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)更適合于頻(pin)響要求較(jiao)高的(de)非穩態測試。

　　安泰ATA-8202射頻功率放大器（工作頻率100kHz~20MHz，額定輸出功率100W）：

　　圖：ATA-8202射頻功率放大器

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