基于泡克尔斯效应的指向性电离波对作用目标瞬态电场的建立及分布研究

Electric field is one of the most basic and crucial parameter of the interaction of the guided ionization waves(IWs) and its target. The diagnosis of the transient electric field of the target induced by IW in a small area is a very crucial work in the research area of the interaction between the plasma and material. In this project, we focus on the formation and distribution of the transient electric field of target induced by guided IWs. The BSO(Bi12SiO20) crystal will be used as the target, and based on its pockels effect, the character of the electric field induced by IW of the target will be clarified in the first place; Secondly, the effect of residual charges and activated species on the formation and distribution the electric field will be explored; Thirdly, the effect and the mechanism of the interaction of the IWs on the formation and distribution will be explicit. In summary, the mechanism of the interaction between the IW and the targets can be clarified and the basis for optimization and parameter control for the plasma source based on the electric field of the target can be established through this experimental diagnostic research.

电场是指向性电离波自身及其与作用对象相互作用过程中的一项基本且重要的参数，对电离波在目标作用区域中产生的瞬时电场的研究是等离子体与材料相互作用研究中的一项关键的工作。本项目以电离波作用处理对象的瞬态电场建立与分布演化过程为核心研究问题，使用BSO(Bi12SiO20)电光晶体作为电离波作用对象，基于电离波作用BSO晶体所产生的泡克尔斯效应，利用时空分辨偏振成像系统明确不同放电参数、电极结构条件下电离波作用对象电场的建立与分布演化过程及其规律；其后，通过控制作用对象表面的相对残余电荷与物种浓度，探究表面残余电荷与物种对电离波在作用对象瞬态电场的建立及分布的影响；此外，明确电离波间的相互作用在处理对象电场建立及分布的影响与机制。最终进一步明晰指向性电离波与处理对象的作用机制，并建立以目标电场为指标的等离子体源优化与参数调控的依据。

电场是指向性电离波（IW）自身及其与作用目标相互作用过程中的一项基本且重要的参数，对电离波在目标作用区域中产生的瞬时电场的研究是等离子体与材料相互作用研究中的一项关键的工作。本项目以IW作用处理对象的瞬态电场建立与分布演化过程为核心研究问题，基于时空分辨图像技术及电光效应，研究了不同放电参数、目标材料参数及放电结构条件下IW作用对象电场的建立与分布演化过程及其规律。.项目研究结果表明：第一，IW在与对象相互作用过程中，会发生“分裂”现象，“分裂”和其导致的与目标作用点的偏离取决于作用目标的介电常数、电势大小及作用角度，当相对介电常数由9增加到56时，其分裂现象更加明显，偏移距离明显增加。IW的分裂可以归因于IW与目标之间的电场增强，这是由于介电目标的极化所致。此外，在与目标作用过程中，由“分裂”所产生的表面IW和原始的空间IW存在局部相互作用，表面IW的传播受限于空间IW的电场限制。.第二，在交变驱动高压条件下，基于电光效应的测量显示目标表面电场的变化情况可分为三个阶段：分别为电场的建立阶段、作用目标点电场的持续阶段及电场的“擦除”与延展阶段。基于结果结合放电原理，认为在正放电后，电场的建立是由于IW传输导致的正电荷沉积造成的；在负放电发生后，由于电场方向改变导致电荷的极性与上次放电沉积的电荷极性相反，会快速使晶体表面现存电荷复合，形成了对电场的“擦除”；并且，负放电后，由于电子的快速移动，在晶体表面迅速形成延展的电场，在过程中，放电参数显著影响表面电场的分布和极值。.第三，提出了一种同轴结构的带有保护气的氦大气压等离子体射流，研究发现不同氮气和氧气比例保护气条件下，IW与目标表面作用过程中，IW的时空动态特性发生变化，并且其表面的电场强度及分布明显不同。.以上主要结果解释了IW与目标作用过程中的动力学特性及目标电场的建立及分布情况，对于等离子体医学及气体放电电场精密测量设备的制造设计具有一定的参考和指导意义。