纳秒脉冲放电击穿过程中高能电子产生与演化机制研究

The high energy electrons generated during the breakdown process of the nanosecond pulsed discharges can guide the discharge propagation and excite the active species. An investigation of these high energy electrons will deepen the understanding of the physics of pulsed discharges at high pressure and provide a guideline for the parameter-optimization in the plasma application. In this project, the fast ionization wave (FIW) discharge will be used to generate a stable and reproducible nanosecond pulsed breakdown process, which is flexible to be diagnosed. Both direct measurement and indirect radiation measurement will be adopted to obtain the spatial distribution and the temporal evolution of the high energy electrons in a wide energy range with a high resolution. Several non-intrusive methods, i.e. laser second harmonic generation, Stark splitting of optical emission spectroscopy, and capacitive probe, will be used to diagnose the spatial-temporal behavior of the electric field (or the electric potential) in the FIW discharge. Combining both investigations, the relationship between the behavior of the high energy electrons and the evolution of the electric field (or the electric potential) will be investigated. In order to study the origin of high energy electrons, the interaction between the pulsed laser with the electrode and the species in the volume will be introduced and the flux of the electron emission from the electrode surface and the density of residual electrons will be modulated independently, the influence of which on the generation and evolution high energy electrons will be studied. The investigation of this project is expected to improve the understanding of pulsed discharge mechanism at high pressure and provide a guideline for the generation and modulation of highly reactive pulsed plasma.

纳秒脉冲放电击穿过程中产生的高能电子可以起到引导放电传播和激发活性粒子的作用，研究这些高能电子的产生与演化过程，既可以加深对高气压脉冲放电机理的认识，又可以指导实际应用中放电参数优化。本项目将利用快速电离波放电形式产生稳定、可重复、易诊断的纳秒脉冲击穿过程，采用直接测量与间接发光测量相结合的方法，对宽能量范围高能电子的时空演化行为进行高分辨率的诊断；为了建立高能电子行为与空间电场/电势的关系，将综合采用激光二次谐波产生、发射光谱斯塔克分裂与电容探头等非介入方法，对放电中空间电场/电势的时空演化进行诊断并相互验证；针对纳秒脉冲放电击穿过程中高能电子起源机制问题，本项目将引入脉冲激光与电极、气相成分相互作用机制，独立调控电极表面电子发射通量与空间残余电子密度，研究这两个因素对高能电子产生与演化行为的影响。本项目的研究期望可以推进对高气压脉冲放电机理的认识，指导高活性脉冲等离子体的产生与调控。

本青年科学基金项目聚焦纳秒脉冲放电击穿过程中高能电子产生与演化机制，对高能电子、X 射线、发射光谱、电场的时空演化进行了高分辨诊断，分析了空间电场与高能电子行为的关系及高能电子起源问题。搭建了两种稳定性好、可重复性高、易诊断的纳秒脉冲放电：大气压极不均匀场弥散放电和中等气压快速电离波(FIW)放电；升级了时间分辨率达50ps的束流收集器和时间分辨率3ns的溴化镧X射线探测器；搭建了亚纳秒时间分辨的时间相关单光子计数(TC-SPC)测量系统，结合单帧成像，对放电动态过程及中等能量电子诊断；建立了皮秒脉冲激光场致二次谐波(E-FISH) 高时空分辨率、非介入式电场测量系统，并搭建了电容探头法FIW电势/电场测量系统。研究证实了高能电子对弥散放电发展引导作用，其束流随驱动电压幅值增加而急遽增加；FIW到达阳极高能电子(>10keV)束流存在双峰结构，其总数与阳极X射线幅值正相关良好，证实其在阳极沉积大部分能量；而能量大于峰值电压的超能电子只有单窄峰结构，引导作用更明显；FIW传播过程中X射线幅值分布揭示了高能电子在放电击穿过程的加速与能损过程。光学诊断发现，弥散放电存在类均匀至多流注模式转化过程，不同激发阈能光谱演化表明电子能量分布仍是低能电子多于高能电子。电场诊断发现，大气压弥散放电击穿前空间电场为拉普拉斯场，而放电传播过程中形成波前电场增强、等离子体通道弱电场维持结构，FIW也存在波前强电场的峰结构。通过阴极火花放电增强表面电子发射通量，发现其可以增强高能电子束流；通过提升放电脉冲重复频率增加空间残余电子密度，发现其会抑制高能电子产生。基于电场分布和电子加速能损分析、进一步结合PIC-MCC模拟研究表明，电子阴极发射后阴极附近局部强场会使电子进入逃逸状态，而放电传播过程波前强场对维持电子逃逸状态起重要作用，低气压FIW更易维持逃逸电子；提升阴极高能电子发射通量可以增加空间预电离度和放电均匀性。项目成果期望深化高气压脉冲放电机理并服务于脉冲等离子体产生与调控。