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导体覆盖管内等离子体子弹的行为
Y. B. Xian, H. T. Xu, X. P. Lu, X. K. Pei, W. W. Gong, Y. Lu, D. W. Liu, and Y.Yang
（华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室 湖北 430074）
在这项工作中，为了更好地应用大气压等离子体射流，研究了部分被导体覆盖的玻璃管中的等离子体束的物理特性。为了更好地理解等离子体子弹在通过弯曲或狭窄通道的毛细管中的传播机制以便用于某些生物医学或材料应用，研究了等离子体束在由浮动导体覆盖的管中的传播机制。对于在由导体覆盖的管中传播的等离子体束，等离子体束被抑制并变得更短，并且在导体下游端处对应的管中产生次级流。导体覆盖的面积越大，或管壁越薄，则等离子体束被抑制得越强。测得导体的电位高达6kV。另一方面，施加在HV电极上的电压越高或气体流速越大将使次级等离子体束更长。发现由管外导体和管壁形成的电容器在抑制原始等离子体束和产生次级等离子体束方面起着重要作用。此外，由原始等离子体产生的活性物质在产生次级等离子体束中起重要作用。
一、导言
大气压非平衡等离子体射流（APNP-Js）因其在材料加工[1]、纳米技术[2]、等离子体医学[3-13]和农业[14,15]中有很好的应用前景而得到广泛研究。APNP-Js是在开放空间而不是在有限的放电间隙中产生等离子体，这使得可以直接处理大尺寸或复杂几何形状的物体。
大多数APNP-J在等离子体扩散到周围空气之前先在介电管内产生等离子体。当APNP-Js在介电管内传播时，它们的物理特性会受到等离子体行为的影响。更重要的是，在实际应用中，如果待处理的物体在狭窄的通道后面，则将使用介电管将等离子体输送到该点。最可能的是，管子应该与周围的物体接触。而更糟糕的是，周围物体可能是导体。例如，在生物医学应用中，等离子体被视为有前景的癌症疗法，如果肿瘤位于腹腔内，当使用等离子射流治疗肿瘤时，会出现上述情况[16-18]。因此，了解等离子体在导体包围的介电管内传播时的行为对于等离子体应用是非常关键的。
不幸的是，虽然有很多关于等离子体射流物理学的研究，但是只有少数关于浮动电极所起作用的研究报道[19-24]。在某些情况下，浮动电极用于降低击穿电压[25-27]。某些条件下，浮动电极用于增强放电[28,29]。有理由相信管外的浮动导体会影响管内等离子体射流的传输，然而报道的相关研究很少。
在本文中，为了在复杂条件下更好地应用等离子体射流，研究了等离子体束在部分被导体覆盖的管中的传播机制。发现等离子体的传播受到周围导体的抑制，并且次级等离子体束开始在导体的下游端传播。
二、实验装置
图1是放电装置的示意图。在玻璃管中产生大气压等离子体束。管的内径为1mm，壁厚为0.25mm。高压电极由半径为100mu;m的钢针制成，插入管的右端。管有长30mm的部分被1mm厚的盐水层覆盖。钢针尖端与盐水左端之间的距离为15mm。盐水层浮动而不连地或HV电源。为了最大限度地减少环境空气污染，将另一个3米长的管子连接到此管的末端。当高压脉冲直流电压（幅值：8kV，脉冲重复频率：8kHz，脉冲宽度：800ns）施加到高压电极，氦气以1升/分钟的流速送入管内时，管内产生等离子体束。
图1 放电装置的示意图
图2 管中等离子体的照片：（a）管外有盐水层；（b）管外无盐水层（施加电压：8kV，脉冲重复频率：8kHz，脉冲宽度：1mu;s，氦气流速：1l/min）
三、实验结果
从图2（a）可以看出，当管外有盐水层时，等离子体束被分成三个部分：HV电极右侧的初级等离子体束、盐水层中的黑暗部分和盐水层下游端的次级等离子体束。这三个部分的总长度比在没有盐水层的管中传播的等离子体束短得多。很明显，初级等离子体束会受到盐水层的限制。然而，初级等离子体束可以进入由盐水覆盖的区域约5mm，并产生次级等离子体束。
为了测量放电电流和放电电压，使用电流探头（Pearson 2877）和Tektronix电压探头（P6015A），通过从总电流中减去位移电流来获得放电电流。图3展示了等离子体束在外部覆有盐水层的管中传播时的放电电流和电压波形。对于一个单电压脉冲能观察到两个不同的电流脉冲，它们分别对应于脉冲电压的上升沿和下降沿。
图3 放电电流和施加电压波形与时间的关系（放电参数与图2（a）中的相同）
为了了解等离子体束如何在由盐水层覆盖的管中传播以及为什么初级等离子体束会被抑制，使用增强型电荷耦合器件（ICCD）相机（Princeton Instruments，Model PIMAX2）来捕获由30mm长的盐水层覆盖的管中的放电动力学。
图4展示了由30mm长的盐水层覆盖的管中的放电动力学。可以看出，等离子体子弹在110ns时到达盐水层覆盖的区域。然后，等离子体在进入盐水层覆盖区域后变得越来越弱，并且在350ns时消隐。在415ns时，在盐水层的右端产生次级等离子体子弹。应该注意的是，通过一些其他设置，次级等离子体子弹可以在初级等离子体子弹消隐前产生。
为了定量描述加速行为，子弹速度的详细信息如图5所示。子弹速度由子弹头的位置和拍摄每张照片的延迟时间决定。发现当等离子体束在普通玻璃管中传播时，它随着距离增加而减速，峰值速度大约为1.6times;105 m/s。当管外覆盖有盐水层时，初级等离子体子弹达到约1.9times;105 m/s，然后在接近盐水层时迅速减速，并在进入盐水层覆盖区域几毫米后停止传播。随后，在盐水层下游端产生次级等离子体束，其首先加速到约0.5times;105 m/s的速度后减速。
图4 由30mm长盐水层覆盖的管中放电的高速图像（曝光时间固定为5ns，每张图像都是具有相同延迟时间的20张照片的集成照片，每个图像上标记的时间对应于图3，放电参数与图2（a）中的相同）
图5 等离子体子弹的速度与分别在普通玻璃管和由盐水层覆盖的管中的距离的对比（放电参数与图2中的相同）
如上图4、图5所示，管外的导体可以抑制等离子体束的传播，还可以产生次级等离子体束。那么有理由相信导体会显着影响电场。为了更详细地理解这些现象，通过等效方法测量导体的电位。
由于上面使用的盐水层可以用锡箔代替而不影响该现象，为了使实验过程更简便，本节中的实验用锡箔而不是盐水层进行。实验装置如图6（a）所示。将半径为100mu;m的钢针插入玻璃管中，将3cm长的锡箔环粘贴在管外距离针2cm处。在锡箔环上开有0.5mm的槽以便于观察。另一个4mm长的锡箔环粘贴在距离第一个锡箔环4cm的地方。这两个环通过一个1mm宽的锡箔带连接。当在针电极上施加脉冲高电压时，在右环旁边产生次级等离子体束。
首先，在针上施加脉冲HV，会在右环旁边产生次级等离子体束。其次，在环上施加脉冲HV，并使针漂浮时，右环也会产生次级等离子体束。改变电压使右环产生的次级等离子体束与第一步中产生的一样长。那么，第二步中施加在环上的电压可以被认为与第一步中锡箔环的电位相等。
图6 用于测量导体电位的等效方法：b（1）、c（1）和d（1）中的针上施加高压，管周围的导体浮动；b（2）、c（2）和d（2）中的导体上施加高电压，针浮动
使用这种方法，我们测量了当施加在针上的电压分别为7.5kV，8.0kV和8.5kV时锡箔环的电位，如图9所示，电位分别为5.7kV，6.0kV和6.3kV。尽管测量不是很准确，但该结果表明导体的电位与维持等离子体束的传播所需的电压一样高。它解释了可以生成次级等离子体束的原因。它还表明，大量的正表面电荷积聚在管的内表面上，尤其是在导体覆盖部分所对应的区域中。既然一致认为正等离子体束前方的电场是正的，那么正表面电荷将会显着减小等离子体束前方的电场，导致的结果是等离子体子弹将减速并停下。
为了了解影响锡箔潜力的因素，进行了以下实验。首先，研究初始等离子体束的长度与锡箔覆盖的面积之间的关系。在图7（a）中，管外没有锡箔，等离子体束长约7cm；在图7（b）中，将一条锡箔粘贴在管外，锡箔条带长7cm，宽1mm，等离子体束长度约为6.3cm，没有产生次级等离子体束；在图7（c）中，一条锡箔条和六个锡箔环粘贴在管的外表面上，锡箔条与图7（b）中的锡箔条相同，锡箔环宽1mm，等离子体束长约5.4cm，在锡箔带的右端产生约3mm长的次级等离子体。很明显，初始等离子体束的长度随着锡箔覆盖的面积增大而减小。
其次，研究了管厚度的影响。在图8（a）和8（b）中，管的厚度为0.5mm，施加在电极上的电压分别为8.5kV和5.5kV，初始等离子体束的长度分别为5cm和4cm，次级等离子体束的长度分别为gt;4.5cm和1.8cm。当管的厚度为1mm并且施加的电压分别为8.5kV和5.5kV时，初始等离子体束的长度分别为5.7cm和4.2cm，次级等离子体束的长度分别为4cm和0cm。这说明了较厚的管会得到较长的初始等离子体束和较短的次级等离子体束。
图7 不同锡箔覆盖面积对应的等离子体束的长度：（a）管外无锡箔；（b）管外粘贴7cm长、1mm宽的锡箔条；（c）管外粘贴一条锡箔条和六个宽1mm的锡箔环（锡箔条与（b）中的相同）
图8 不同厚度管中等离子体束的照片（每个图中标记了管的厚度和施加的电压）
为了理解产生次级等离子体束的原因，研究了不同气体流速下的等离子体特性。如图9所示，当气体流速从700ml/min降至50ml/min时，初始和次级等离子体束的长度都减小。此外，当气体流速降低至25ml/min时，次级等离子体束消失。
为了进一步确认气流的功能，进行了以下实验。如图10所示，当由盐水层覆盖的管被绝缘胶堵塞时，即使针电极上施加的电压增加到高达9.5kV，也没有次级等离子体束，当施加的电压增加到13kV时，次级等离子体束才重新产生。
图9 不同气体流速对应的等离子体束的照片
图10 当管是通畅时（顶部）和管被阻塞（中间和底部）时等离子体束的照片
上述实验表明了，除了管外锡箔的高电位外，初始等离子体束产生的活性物质对产生次级等离子体束也起着重要作用。
四、讨论
从上述实验结果可以看出，管外的浮动导体可以抑制初始等离子体束。导体覆盖的面积越大，或管越薄，则等离子体束被抑制得越强。测得导体的电位高达6kV。另一方面，导体的下游端会产生次级等离子体束。施加在HV电极上的电压越高或气体流速越快将使次级等离子体束更长。
为了解释这些现象，图11（a）和11（b）展示了物理原理和等效电路。为了便于叙述，针电极、初始等离子体子弹和锡箔右端的位置分别标记为P1、P2和P3。
图11 （a）物理原理图；（b）等效电路
人们普遍认为，等离子体子弹后面的暗通道具有弱导电性，电场通过它传导到等离子体子弹的前端。因此，P1和P2之间的暗通道可以等效于电阻器R1。P2和P3之间的气流等效于电容器C1。管中的等离子体、管外的锡箔和管壁构成电极和电容器C2的电介质。P3和地之间的气流等效于电容器C3。电容器C1和C2并联连接，然后与R1和C3串联。由于C1和C3都是气流的等效电容器，因此电容大小远小于C2。根据电路理论，施加的电压经C3后大幅下降，P2和P3之间的电压差相对较小，大部分电流流过C2而不是C1。
如图11（a）所示，当在电极上施加高电压时会产生初始的等离子体。高压通过暗通道传导到等离子体子弹的前端。首先，在初始等离子体子弹进入锡箔覆盖的区域之前，它像普通的等离子体子弹一样传播。当它进入锡箔覆盖区域时，电场的分布发生变化。在电场的径向分量的影响下，暗通道中的正电荷积聚在管的内壁上。相应地，负电荷通过锡箔积聚在管的外壁上。结果是使电容器C2充电。由于C2的电容量相对较大，大多数电场线通过该电容器传导到锡箔的右端。
根据计算电容C=εS/4pi;kd的公式，三个因素可能影响电容：介电常数ε，电极面积S和电极之间的距离d。当等离子体子弹传播到由锡箔覆盖的区域时，暗通道和锡箔的叠加区域增加。因此，C2的电容增加。这就是为什么等离子体子弹进入锡箔覆盖区域后会变得越来越弱。增加管外锡箔的面积也可以增加C2，这符合图7所示的结果。另一方面，管厚度的减小也会增加C2的电容，这解释了图8所示的结果。
电场线从针电极开始，穿过暗通道和电容器C2，在P3处形成强电场
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