近日，大连理工大学物理学院的杨德正教授团队在纳秒火花放电中的超快击穿过程的研究中取得新进展，研究成果以”Fast breakdown process and characteristics diagnosis of nanosecond pin-pin discharge”为题发表在国际著名期刊“Journal of Physics D: Applied Physics”上。
大气压下电极之间的火花放电是最常见的放电现象，其应用也十分广泛。单脉冲高能量输入和产生的丰富的活性物种使火花放电在CO2分解、甲烷转化和固氮等领域受到极大关注。近年来纳秒脉冲技术的发展不仅降低了应用过程中的能量成本，而且促进了火花放电在等离子体辅助燃烧领域的应用。然而，为了在实际应用中对瞬态火花放电进行更好的控制，针对一些至关重要的问题，如对快速放电击穿过程和活性物种的产生机制等还需要进行更加深入的研究。
本文系统地研究了大气压下单个纳秒脉冲内的火花放电击穿现象，通过联合使用条纹相机与ICCD相机，捕捉到了单脉冲内火花放电通道的击穿及演化过程。同时，利用时间分辨的光学发射光谱（OES）技术对放电过程中产生的各活性物种的产生及其淬灭过程进行了分析，并对纳秒脉冲火花放电等离子体的气体温度以及电子密度等特性进行了诊断。
实验装置图如下图所示，放电电极由两根钨针组成，电极间隙控制在2mm，火花放电由纳秒脉冲电源驱动产生。利用DG645同步纳秒脉冲电源、条纹相机以及ICCD相机捕获火花放电超快击穿过程以及放电模式演化过程的图像，同时，利用DG645同步纳秒脉冲电源以及发射光谱仪完成对放电过程中产生的活性粒子的产生和淬灭过程的诊断。
图1. 实验装置图
从图2所示的ICCD图像中可以看到，放电击穿起始于第48 ns，同时可以观察到明亮的阴极亮斑的存在。随放电时间延长至283 ns，火花放电通道开始发展，且放电通道持续变宽。283ns之后，火花放电通道开始熄灭，且放电强度逐渐变弱。
图2. 火花放电通道演化的ICCD图像
由于初始击穿过程和流光到火花阶段的转换过程通常在几纳秒的时间尺度内完成，ICCD相机难以捕捉到其中变化，因此需要使用分辨率更高的条纹相机，图3-4为条纹相机采集到的火花放电过程图像，采集的时间窗口分别设置为980ns（Δ t=9.8ns）以及10 ns（Δ t=9100 ps）。从图3中可以发现，在形成放电通道的初期，靠近负极的放电发光更强。而在形成放电通道之后，正极附近的放电更强一些。1500ns之后，火花放电通道熄灭，而在负极附近仍然可以观察到放电等离子体的余辉。
图3. 980ns时间窗口下条纹相机采集到的火花放电图像
当把条纹相机开到10ns的时间窗口下时（Δ t=100 ps)，可更加清晰地观测到火花放电通道的击穿和产生的过程（图4）。图中可见在阴极亮斑出现之前存在一个均匀放电的阶段，这个阶段大概持续了1.8ns，而这个阶段在图2中无法被ICCD相机分辨出来。条纹相机图像清楚地揭示了火花通道形成的五个过程。（1）初始均匀放电阶段；（2）阴极亮斑的出现；（3）两个电极附近阴极丝及阳极丝的出现；（4）阴极丝及阳极丝的传播；（5）阴极丝及阳极丝的汇合以及火花放电通道的形成。
图4. 10ns时间窗口下条纹相机采集到的火花放电图像
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本文火花放电的快速分解和演化过程采用使用卓立汉光公司的ST-10条纹相机采集得到。ST-10条纹相机时间分辨率可达到5ps，可匹配多种焦长光谱仪，快速追踪火花放电、爆炸等超快发光的动力学过程。
基于条纹相机的超快时间分辨系统
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