脉冲电磁驱动低温螺旋流注放电机理

邹丹旦; 涂忱胜; 胡平子; 李春华; 钱沐杨

doi:10.7498/aps.72.20230034

摘要

特定脉冲放电参数条件下, 原来沿直线传播的低温等离子体射流放电通道会在脉冲电磁驱动下发生放电模式转换, 形成螺旋形态的流注通道. 与传统的螺旋波放电不同, 实验中并没有外加恒定磁场等破坏介质管极向对称性的因素, 而且螺旋的手性方向会随放电参数变化. 为深入了解等离子体射流中螺旋结构的电磁作用机理, 探索其导致螺旋形态和决定手征性的极向电场来源及影响因素, 本文通过建立完备自洽的等离子体理论模型, 对螺旋流注的手性方向、螺距变化、分叉等复杂放电特性和电磁机理进行分析. 研究发现击穿时极向电场波模的初始相位对螺旋流注的手性选择存在影响, 电子密度对螺旋流注的螺距参数存在影响, 放电的脉冲重复频率对螺旋流注分叉的分叉点位置存在影响. 以上放电特性及其影响因素对探明电磁波与等离子体的相互作用机制具有重要科学意义, 同时也为低温等离子体的手性应用提供实验和理论支撑.

关键词:

Abstract

Under the condition of specific pulsed discharge parameters, the discharge mode conversion of the low-temperature plasma jet discharge channel that originally propagates along a straight line will occur, forming a three-dimensional helical plasma channel. Unlike the traditional helical wave discharge, there are no factors such as an external constant magnetic field that destroys the poloidal symmetry of the dielectric tube, and the chiral direction of the helical streamer will change with the discharge parameters. In order to understand in depth the electromagnetic mechanism of the helical structure in the plasma jet, and the source and influencing factors of the poloidal electric field that leads to the helical shape and determines the chirality in this new type of discharge, we analyze the complex characteristics and electromagnetic mechanism of the helical streamer, such as the chiral direction, pitch, branching, by establishing a self-consistent plasma theoretical model. It is found that the phase of the poloidal wave mode has an effect on the chiral selection of the helical streamer, that the electron density has an influence on the pitch of the streamer, and that the repetition frequency has an effect on the bifurcation point. The above discharge characteristics and their influencing factors are of scientific significance in exploring the interaction mechanism of electromagnetic wave and plasma, and also in providing experimental and theoretical support for the chiral application of low-temperature plasma.

Keywords:

作者及机构信息

1.
华东交通大学, 南昌　330013

2.
合肥工业大学, 合肥　230009

3.
南昌大学, 南昌　330031

通信作者: 李春华, lch2014@hfut.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 12005061, 12065019)和中国博士后科学基金(批准号: 2019M662271)资助的课题

Authors and contacts

1.
East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

2.
Hefei University of Technology, Hefei 230009, China

3.
Nanchang University, Nanchang 330031, China

Corresponding author: Li Chun-Hua, lch2014@hfut.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12005061, 12065019) and the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2019M662271).

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参考文献

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施引文献

图 1 螺旋流注放电实验装置示意图

Fig. 1. Schematic diagram of helical streamer discharge device.

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图 2 电磁场圆柱几何坐标位型

Fig. 2. Cylindrical geometric coordinate and configuration of electromagnetic field.

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图 3 不同手性方向的螺旋流注　(a) 左手性方向; (b) 右手性方向

Fig. 3. The helical streamers with different chiral directions: (a) The left hand-side direction; (b) the right hand-side direction.

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图 4 不同电极结构(针电极和环电极)产生螺旋流注的螺距随放电轴向距离的分布

Fig. 4. The pitches of helical streamers generated by different electrode structures (needle electrode and ring electrode) with the axial distance of discharge.

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图 5 放电电压为7 kV下不同脉冲重复频率的螺旋流注放电图像

Fig. 5. Helical streamer discharge images with different pulse repetition rates at 7 kV discharge voltage.

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图 6 放电电压为7 kV下不同脉冲重复频率的螺旋流注分叉前直段区域的光学直径

Fig. 6. Optical diameter of the straight section before the helical streamer branching with different pulse repetition rates at a discharge voltage of 7 kV.

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