實驗名稱：輝光放電特征及風速測量原理

　　研究方向：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：

在等離子體形成條件和流場響應機制的基礎上，可以明確影響放電穩定性和等離子體風速測試技術性能的主要參數包括：激勵裝置的電參數、電極間距、電極寬度、電極材料、氣體的成分及其熱力學參數。以上任一個參數的研究，需保證實驗中對它的可控性和可測量性。因此，首先需要完成對輝光放電系統和流場實驗裝置的搭建。電暈放電過渡到輝光放電，需要電源在電極兩端加載約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的高壓探針連接至示波器，記錄放電波形和數據，并最終回傳至電腦存儲。電流的監測是通過測量1kΩ標準電阻兩端電壓，經過計算獲得。在放電實驗中，分別使用高壓直流電源和射頻電源。其中，高壓直流電是由輸出較小的信號發生器電壓經功率放大器放大后得到。

　　圖：測試系統連接示意圖

　　為保證輝光放電和后端電路的阻抗匹配以及調制功率下的高壓輸出，電源輸出端先連接至阻抗匹配器，再經由自行設計的高頻變壓器進行放大。

　　信號測試端分別使用示波器和多功能萬用表。熱成像儀主要用于拍攝和記錄放電時的等離子體分布和對應電流下的電極溫度，保證放電操作在合適的電流下以免損壞電極。

　　為了探尋各變量對放電和等離子體風速測量技術的影響，需進行單一變量控制實驗，所搭建的實驗臺需能夠實現電極間距的調整、對準、快速更換和流速測試等操作，其設計和實物如圖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：輝光放電流場測試平臺

　　直流輝光放電的從陰極到陽極可以劃分為：阿斯頓暗區、陰極光層、陰極暗區、負輝區、法拉第暗區、正柱區、陽極區，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，最貼近電極表面位置為阿斯頓暗區該區域電子的能量還不足以引起激發電離，因此不存在輻射發光。進入到陰極光層，電子能量已達到電離所需的激發能，在放電過程中可觀察到靠近電極表面的微弱光層。在陰極暗區，只有部分電子還能與分子發生碰撞電離反應，因此光強有所減弱。進入到負輝區后，電勢基本不發生變化，因此該區域電子和離子速度最小，并形成高密度電荷區，電子和離子復合最為頻繁，慢電子與氣體分子發生激發碰撞的概率加大，所以發光增強，在短間隙內形成最高亮度。陽極區附近，電子受電場加速，與分子發生碰撞激發，并發出弱光。

　　圖：直流輝光放電

　　當間隙內形成穩定的直流輝光放電，電路內產生了具有一定周期的震蕩，由示波器記錄的陽極電位輸出波形和頻譜如圖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，對電場的削弱能力有所降低，電子繁流反應速率得到恢復，增加了間隙內的電荷數量，因此電路電流有所增大，陽極的電勢將有所降低。電離得到的正電荷將再次補充到陰極位降區形成電荷累積，并重復上述過程。實驗檢測到該過程存在一定的重復周期，震蕩頻率約為23kHz。

　　圖：直流輝光放電陽極電勢

　　圖：直流輝光放電仿真結果

　　交流輝光放電過程相對直流放電更為復雜，放電不斷經歷著熄滅、維持和再擊穿的過程。交流輝光放電圖像及電壓、電流的波形如圖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。

　　為進一步分析交流電驅動下放電特征，將上述仿真模型電源參數改為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：交流輝光放電仿真結果

　　因為交流電場中離子到達電極表面的平均速度只有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。

　　交流輝光放電空間內離子平均遷移速度約為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，滿足壓氣機對非穩態流場的測試。

　　為了進一步證實上述仿真分析所得出的結論，實驗選用直徑為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；交流輝光放電兩電極形成對稱燒蝕，電極溫度略低于直流輝光放電。當電流為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放電對比

　　實驗結果：

　　上述兩種放電模式下的電流變化量隨流速增大均逐漸趨于平緩，這與仿真的預期的結果一致，可見輝光放電對電極產生的燒蝕、濺射以及對風速的響應規律靈敏度與間隙內離子速度和電荷密度的分布有密切關系。直流放電雖伴隨強烈的非對稱燒蝕和較低的頻響，但較小的放電電流下即可實現較大的量程，因此在穩定的高速流場中更具有應用潛力。改用交流電源驅動，相同的放電電流下雖然量程較小，但載波頻率的可調控性使其頻響上限遠高于直流放電，并且輸出波動較小，放電更具有穩定性，因此交流輝光放電更適合于頻響要求較高的非穩態測試。

　　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

　　本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。