基于瞬态电场测量的纳秒脉冲放电中快速电离波传播机制与调控研究

Fast ionization theory is an important basic scientific problem in nanosecond-pulse discharges. The development of fast ionization wave is accompanied by the runaway breakdown of high-energy electrons in nanosecond-pulse discharges, which is the research hotspot to explore the mechanism of nanosecond-pulse discharges. In this project, the fast ionization wave in nanosecond pulse discharges is studied. The propagation characteristics and control mechanism of fast ionization waves are investigated by measuring the transient electric field in nanosecond pulse breakdown process. The effect of rising time, reduced electric field and gas pressure on the generation and transmission of fast ionization wave is analyzed. Furthermore, The interaction between fast ionization and high energy electrons is studied, analyzing the role of fast ionization wave in the development of electrons avalanche and formation of streamer in nanosecond-pulse discharge at different stages. Thus, the physical model of nanosecond-pulse discharge will be held. In the project, the macroscopic measurement of electrical parameters and microscopic measurement of transient electric field and fast ionization wave are conducted, combined with the numerical simulation of gas breakdown process in nanosecond-pulse discharges, the propagation mechanism and control methode of the fast rapid ionization wave are summarized, providing the basis evidence of exploring the mechanism of nanosecond-pulse discharges and making reference to the generation of homogeneous discharges at atmospheric pressure. The research of this project is expected to promote the development of pulsed discharge plasma theory and application technology in China.

快速电离波理论是纳秒脉冲放电中的重要的基础科学问题，快速电离波的发展伴随着纳秒脉冲放电中的高能电子逃逸击穿，是探索纳秒脉冲放电机理的研究前沿热点。本项目瞄准纳秒脉冲放电中的快速电离波，通过对纳秒脉冲击穿过程中瞬态电场的原位测量，研究快速电离波快速电离波的传播特性与调控机制，分析脉冲上升沿、折合电场强度和气体压强对快速电离波产生和传输的影响规律。结合逃逸电子束流测量，掌握快速电离波与高能电子相互作用规律，明确快速电离波在纳秒脉冲放电中电子崩发展和流注形成不同阶段的作用，从而完善纳秒脉冲放电物理模型。项目采用宏观的电学参数和微观的瞬态电场与快速电离波等多参数测量手段，结合对纳秒脉冲气体击穿过程的数值模拟，总结快速电离波传播机制及影响因素，掌握快速电离波调控方法，为探索纳秒脉冲放电机理和指导大气压均匀放电产生提供依据。本项目的研究期望能推进脉冲放电等离子体理论及应用技术的发展。

针对纳秒脉冲放电中快速电离波产生和传播机制缺乏原位诊断的难题，在基金委资助下，本项目开发了氮谱线和激光场致二次谐波系统，获得了纳秒脉冲电离波中瞬态电场的时间演变和空间分布，并升级高能电子束流收集器和空间X射线探测系统，掌握了高能电子及其韧致辐射X射线引导电离波发展的物理过程，提出了调控快速电离波的方法。主要研究内容包括：纳秒脉冲表面介质阻挡放电（SDBD）中电离波特性、纳秒脉冲电离波中电场特征分析、纳秒脉冲放电中高能辐射与快速电离波作用机制和电极材料调控纳秒脉冲放电中高能电子束流的研究。取得的主要结论如下：. ① 纳秒脉冲激励的电离波有明显的双峰特征，即初级和次级电离波；. ② 增加外加电压幅值、减少上升沿均能有效加快纳秒脉冲SDBD中表面电离波传播；. ③ SDBD瞬态电场存在的残余电场是由前一脉冲同极性电荷积聚导致的，抑制表面电离波的发展，采用表面电荷消散快的介质（如环氧树脂）有利于减少上述抑制作用；. ④ 大气压等离子体射流为典型的空间电离波，其发光区域头部的运动伴随着电离波波前的传播，对比无靶和铜靶结果发现，有金属靶引导能加快初级电离波传播速度，两者次级电离波的形成机制不同；. ⑤ 纳秒脉冲快速电离波发展伴随高能辐射现象，随着离阴极距离的增加，X射线能量增加，数量减少，表明高能电子具有很长的能量弛豫长度，较小电场即可维持电离波持续发展；. ⑥ 为了增强阴极场致发射，低气压下阴极材料采用功函数低的金属或大气压下采用马尔特效应的金属，阳极材料采用原子序数较高的金属有利于增加高能电子数量。. 四年内在PSST,JDP，HV等期刊发表SCI论文7篇，在中国电机工程学报，电工技术学报等期刊发表EI论文3篇。授权发明专利2项。做国际国内学术会议报告6次，培养硕士生2名，获茅以升北京青年科技奖1人。通过本项目的实施，揭示了纳秒脉冲放电中高能电子引导电力波传播的物理机制，掌握了表面和空间电离波的调控方法，为大气压纳秒脉冲放电应用提供了理论支撑。