納秒脈沖火花放電等離子體發(fā)射光譜特性研究

李 威, 王志新, 史 莉

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240； 2. 上海納杰電氣成套有限公司, 上海 201111)

納秒脈沖火花放電等離子體發(fā)射光譜特性研究

李 威1, 王志新1, 史 莉2

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240； 2. 上海納杰電氣成套有限公司, 上海 201111)

等離子體合成射流控制作為一種新型的主動流場控制技術(shù)，具有激勵器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、無運動部件、工作頻帶寬、噴射強(qiáng)度高等優(yōu)點，已為業(yè)界所關(guān)注。因此，有必要研究納秒脈沖火花放電等離子體發(fā)射光譜特性，該研究涉及電壓激勵參數(shù)和環(huán)境氣壓，包括電壓極性及幅值、重復(fù)頻率、單個脈沖前沿時間及脈寬等。利用光譜圖譜線的擬合計算得到各種條件下電子的溫度，獲得放電過程中電子溫度的變化規(guī)律。理論計算與實驗結(jié)果表明，負(fù)極性、高幅值、20～1000Hz重復(fù)頻率、快前沿、窄脈寬電壓波形能夠產(chǎn)生微觀上電子溫度較高的等離子體合成射流；氣壓在50～60kPa時，需要適當(dāng)改變電壓激勵參數(shù)以維持電子溫度的穩(wěn)定，從而維持合成射流噴射的穩(wěn)定。

等離子體發(fā)射光譜； 電壓激勵參數(shù)； 環(huán)境氣壓； 電子溫度

1 引言

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)宏觀體系，廣泛存在于宇宙中，常被視為物質(zhì)的第四態(tài)，被稱為等離子態(tài)，或者“超氣態(tài)”，也稱“電漿體”[1]。在納秒脈沖高幅值電壓作用下，激勵器內(nèi)發(fā)生火花放電，迅速加熱腔內(nèi)氣體，氣體急劇升溫膨脹，腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)迅速升高，氣體在出口處高速噴出，形成高速高能的合成射流。噴射出的合成射流能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域。已經(jīng)成為目前研究的熱點和焦點[2-8]。

隨著航空領(lǐng)域中亞音速和超音速飛行器的應(yīng)用越來越廣泛，普通飛行器已經(jīng)無法滿足高速下飛行平穩(wěn)的要求。解決這一問題的兩個思路是采用改良翼型和采用流動控制技術(shù)。作為流動控制技術(shù)發(fā)展的核心問題之一，流動控制激勵器的設(shè)計水平和工作性能直接決定了流動控制技術(shù)的應(yīng)用方向和應(yīng)用效果。近年來，等離子體激勵器以其結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、工作頻帶寬、適應(yīng)多工況等優(yōu)點正受到越來越多的關(guān)注，極有可能成為流動控制技術(shù)的新突破[6]。等離子體流場控制是一種新型的主動流場控制技術(shù)，其利用等離子體在電磁場力的作用下運動和氣體放電引起溫度壓力變化的特性，具有響應(yīng)迅速、激勵頻帶寬、無運動部件等優(yōu)勢，可以顯著地提升飛行器和發(fā)動機(jī)的氣動性能。

本文以納秒脈沖火花放電等離子體發(fā)射光譜為研究對象，考慮了電壓激勵參數(shù)和環(huán)境氣壓這兩大因素的影響，電壓激勵參數(shù)方面的研究包括電壓極性、電壓幅值、重復(fù)頻率、單個脈沖前沿時間及脈寬這四個因素；然后利用光譜圖進(jìn)行譜線的擬合計算得到各種條件下的電子溫度；最后結(jié)合放電過程中電子溫度的變化規(guī)律，深入了解納秒脈沖等離子體火花放電時腔體內(nèi)的溫度信息，為優(yōu)化合成射流性能，提高能量利用率提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 實驗平臺

如圖1所示，實驗平臺主要由重復(fù)頻率納秒脈沖發(fā)生器、激勵器、低氣壓實驗艙和光譜測量系統(tǒng)組成。等離子體激勵電壓由重復(fù)頻率納秒脈沖發(fā)生器提供，在激勵器上產(chǎn)生火花放電，通過對低氣壓實驗艙抽氣使艙內(nèi)氣壓降低，電學(xué)測量系統(tǒng)記錄脈沖電壓波形和脈沖電流波形，光學(xué)測量系統(tǒng)記錄測得的發(fā)射光譜。

圖1 實驗平臺的原理圖Fig.1 Schematic of experimental platform

2.1 重復(fù)頻率納秒脈沖發(fā)生器

重復(fù)頻率納秒脈沖發(fā)生器電壓上升率高，持續(xù)時間短，有利于產(chǎn)生大面積穩(wěn)定的等離子體。重復(fù)頻率納秒脈沖電壓發(fā)生器主要由軟啟動充電模塊、初級儲能模塊、IGBT及其控制驅(qū)動電路、可飽和脈沖變壓器和磁開關(guān)脈沖壓縮回路等部分組成[9,10]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的拓?fù)涫疽鈭D如圖2所示。

圖2 重復(fù)頻率納秒脈沖電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of nanosecond pulse and repetition frequency voltage generator

系統(tǒng)的工作原理為：交流電壓經(jīng)軟啟動充電模塊整流后得到約310V的穩(wěn)定直流電壓，該電壓經(jīng)過串聯(lián)諧振充電過程對初級儲能脈沖電容器C2充電，并在LC諧振過程中經(jīng)鉗位倍壓過程在可飽和脈沖變壓器原邊形成直流壓降。IGBT在控制及驅(qū)動模塊控制下導(dǎo)通，使得沖擊電容C2通過可飽和脈沖變壓器的原邊放電并在副邊感應(yīng)出脈沖高壓。脈沖高壓對次級儲能電容器C6和C7充電，經(jīng)過參數(shù)匹配，在C5充滿電后使得脈沖變壓器磁心剛好飽和，變壓器副邊電感急劇減小，電容C4兩端電壓迅速翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)再次對脈沖電壓的加倍升壓。加倍疊加的脈沖電壓使得磁開關(guān)飽和，由于磁開關(guān)的壓縮和陡化作用，最終在負(fù)載電阻上形成納秒級的脈沖電壓，通過增加二級磁開關(guān)可以產(chǎn)生前沿更短、脈寬更窄的納秒脈沖電壓，二級磁壓縮回路如圖3所示。因為負(fù)載上形成的脈沖電壓是雙極性脈沖，使用高壓二極管消去反向電壓即可得到預(yù)期的單極性納秒脈沖電壓。

圖3 增加二級磁開關(guān)后的升壓及磁壓縮模塊Fig.3 Boost and magnetic compression module after adding secondary magnetic switch

輸出的電壓范圍為0～30kV，頻率范圍為0～2kHz。慢前沿脈沖的上升前沿為128ns，半高寬為220ns，快前沿脈沖的上升前沿為34ns，半高寬為70ns。

2.2 合成射流激勵器結(jié)構(gòu)

實驗采用的合成射流激勵器結(jié)構(gòu)為帶有封閉腔體和噴射孔的針板電極，電極材料為不銹鋼，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其中板電極中央開孔直徑為0.5mm，為減少射流出口轉(zhuǎn)角對噴射氣流的阻礙，噴射口道設(shè)計為錐形，頂角為90°，板電極厚度為2mm，喉道下直徑為4.5mm。針電極尖端曲率半徑為0.5mm，間隙距離通過螺紋調(diào)節(jié)。放電腔體由內(nèi)徑4mm、外徑10mm的石英玻璃管制成，板電極和底座之間用尼龍拉桿進(jìn)行固定。

圖4 激勵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of actuator

2.3 低氣壓實驗艙

低氣壓實驗艙的主體是圓柱體，在圓柱的鏡像方向分別安裝四個圓形觀察窗，主體圓柱高度為330mm，外徑為400mm，內(nèi)徑為320mm，壁厚為3mm。觀察窗外徑為215mm，內(nèi)徑為159mm。為了能夠觀察到放電現(xiàn)象和拍攝到光譜，在前后觀察窗上安裝有厚度為5mm的透明石英玻璃視窗，在左右觀察窗上安裝有氣密性BNC電纜接頭，用于引出電流信號。由于激勵器放置在實驗艙內(nèi)并進(jìn)行密封，為了使激勵器能在合適高度便于拍攝光譜，在艙內(nèi)加入一個直徑為100mm的升降平臺。主體圓柱上蓋中間須加不銹鋼電極來引入電壓，并加有機(jī)玻璃套管用于絕緣。

2.4 電學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)

電學(xué)參數(shù)包括調(diào)壓器的輸入電壓、納秒脈沖的電壓波形、回路中的電流波形。調(diào)壓器的輸入電壓直接由量程為250V的交流電壓表測量。納秒脈沖的電壓波形即施加在間隙兩端的電壓波形，采用型號為Tektronix P6015A的高壓探頭測得，探頭的頻帶寬度為75MHz，分壓比為1000∶1，最高測量電壓為40kV。回路中的電流波形由Person羅氏線圈測得，頻帶寬度上限為100MHz，伏安比為1V/A，連線時通過電纜頭穿過觀察窗，并經(jīng)過電纜和10∶1的衰減器連接到高性能示波器上。

2.5 光譜參數(shù)測量系統(tǒng)

采用低雜散光全息光路微型CCD光譜儀Exemplar LS進(jìn)行拍攝。該裝置的光譜測量范圍為180～1100nm，光譜分辨率能達(dá)到0.1nm，觸發(fā)方式為外觸發(fā)。

3 實驗結(jié)果

實驗中固定尖板電極間隙距離為4mm，對比標(biāo)準(zhǔn)組為：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，“負(fù)尖正板”接法，DG535同步延時發(fā)生器的重復(fù)頻率為1kHz，納秒脈沖電壓發(fā)生器未加二級磁開關(guān)，產(chǎn)生的波形為慢前沿、寬脈寬的電壓波形，調(diào)壓器輸入電壓統(tǒng)一為180V(即輸出電壓峰值為25.5kV)。

3.1 電壓極性的影響

通過改變電壓的極性，得到正負(fù)極性下電壓電流波形，利用軟件調(diào)節(jié)拍攝時間(即積分時間)為1ms，拍攝到正負(fù)極性下光譜如圖5所示。

圖5 正負(fù)極性下拍攝到的光譜圖Fig.5 Spectrum taken when electrode is positive/negative

等離子體發(fā)射光譜在負(fù)極性下的相對光強(qiáng)明顯比正極性下強(qiáng)。由參考波形可知，兩種接法下放電電壓電流波形的形態(tài)基本一致，都是在上升沿?fù)舸┖蟀l(fā)生阻尼振蕩，原因是整個回路存在等效電容和導(dǎo)線電感。但是兩者的擊穿電壓略有差別，在負(fù)極性下，擊穿電壓為18.1kV，正極性下，擊穿電壓為17.6kV。原因可以解釋為極不均勻場下空氣放電的“極性效應(yīng)”，即由于空間電荷畸變的影響，在尖-板構(gòu)成的不均勻不對稱電場中，正尖負(fù)板的火花放電電壓小于負(fù)尖正板的火花放電電壓。

3.2 電壓幅值的影響

通過改變調(diào)壓器的輸入電壓來改變輸出電壓幅值，在一次實驗中進(jìn)行緩慢、勻速升壓，可以得到等離子體發(fā)射光譜隨電壓幅值的變化，如圖6所示。

圖6 發(fā)射光譜隨電壓幅值的變化圖Fig.6 Variation diagram of emission spectrum when voltage changes

所得光譜圖均在一次實驗中記錄，所得的譜線相對強(qiáng)度可以進(jìn)行比較?？梢钥闯?，在紫外波段(波長200～400nm范圍內(nèi))，譜線相對強(qiáng)度增加明顯，在波長為500nm左右的譜線相對強(qiáng)度有所增加。隨著輸出電壓幅值增加，產(chǎn)生的火花放電沉積能量增加，相應(yīng)的光譜譜線的相對強(qiáng)度也增加。而紫外波段主要是Fe的譜線，隨著電壓幅值的增加，放電電流增加，對電極的加熱作用增強(qiáng)，電極燒蝕增強(qiáng)，等離子體中鐵蒸氣含量增加，所以Fe的譜線相對強(qiáng)度增加明顯。

3.3 電壓重復(fù)頻率的影響

通過改變DG535的參數(shù)來改變重復(fù)頻率，為了方便又具有區(qū)分度，選取8個頻率(10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1kHz和2kHz)分別進(jìn)行光譜的拍攝。

等離子體發(fā)射光譜隨電壓重復(fù)頻率的變化如圖7所示，可以看出：

(1)實驗得到的發(fā)射光譜隨電壓重復(fù)頻率變化的分散性較大，這與等離子體火花放電的放電形態(tài)有關(guān)。因為激勵器板電極中間存在噴射孔，所以火花放電的擊穿點在噴射孔周圍一圈的任意位置，這就給確定光纖探頭的位置帶來了困難，而且頻率越高，分散性越大。

(2)在1kHz及以下光譜圖中的紫外波段較弱，2kHz光譜的紫外波段相對強(qiáng)度較大。對此現(xiàn)象的解釋如下：重復(fù)頻率為2kHz時，單次放電的平均功率大，對電極的燒蝕更嚴(yán)重，等離子體中鐵蒸氣含量高，譜線的相對強(qiáng)度高。

圖7 等離子體發(fā)射光譜隨電壓重復(fù)頻率的變化圖Fig.7 Variation diagram of emission spectrum when repetition frequency changes

3.4 脈沖前沿和脈寬的影響

通過增加一個6匝的二級磁開關(guān)，并聯(lián)一個0.25nF的電容，能夠產(chǎn)生上升前沿為34ns、半高寬為70ns的快前沿、窄脈寬的脈沖波形。施加慢前沿和快前沿的脈沖電壓，拍攝到的光譜如8圖所示。

圖8 施加慢前沿和快前沿的脈沖電壓拍攝到的光譜圖Fig.8 Spectrum taken when leading edge time is slow/fast

由圖8可知，分別施加快、慢前沿脈沖電壓，得到的光譜形態(tài)相似，不同處集中在紫外波段，施加慢前沿、寬脈沖電壓得到的發(fā)射光譜在200～300nm的相對強(qiáng)度較大，這是因為在慢前沿、寬脈沖電壓的作用下，電極由于電加熱作用時間較長，造成的電極燒蝕也較嚴(yán)重，所以發(fā)射光譜中紫外波段相對譜線強(qiáng)度大。

3.5 環(huán)境氣壓的影響

納秒脈沖等離子體合成射流在航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用是在大氣層中的流場控制，而大氣層又分為對流層、平流層、中間層、電離層和外層。因為對流層以上空氣密度很小，對于飛行器的擾動可以忽略，所以飛行器在大氣層遇到的氣流擾動也主要集中在對流層。

為此，設(shè)計了一個低氣壓實驗艙，其結(jié)構(gòu)和尺寸已在2.3節(jié)敘述。實驗過程中，通過真空泵和電子氣壓計配合來提供低氣壓環(huán)境。具體操作中先用真空泵對低氣壓實驗艙抽氣到10kPa，再通過氣閥放氣調(diào)節(jié)氣壓。實驗中發(fā)現(xiàn)，在氣壓很低時，整個間隙發(fā)生的是輝光放電，放電形態(tài)會隨著氣壓的變化而變化。

通過氣閥來改變氣壓，拍攝等離子體發(fā)射光譜隨氣壓的變化圖像，如圖9所示。

圖9 等離子體發(fā)射光譜隨環(huán)境氣壓的變化圖Fig.9 Variation diagram of emission spectrum when barometric pressure changes

在氣壓為10kPa時，拍攝到紫外波段的光譜左右不對稱，為分子光譜。所以，在低氣壓條件下，放電光譜譜線主要以分子譜為主，觀測到的分子譜主要以氮分子的第二正帶系N2(C3Πu→B3Πg)的譜線為主。隨著氣壓升高，離子譜和原子譜及連續(xù)譜逐漸增強(qiáng)。

4 電子溫度計算

為了計算得到電子溫度和電子密度，需要確定分立譜線的元素和電離態(tài)。由于譜線具有一定展寬，不同譜線中心波長相距較近時，譜線會發(fā)生疊加，使得所測得的光譜是多種譜線疊加的結(jié)果。因此，為了得到分立譜線，需要進(jìn)行多峰擬合。

4.1 多峰擬合與譜線識別

多峰擬合函數(shù)主要有Gauss和Lorentz峰函數(shù)[11]。Gauss多峰擬合適用于分立譜線的展寬窄，相對強(qiáng)度高的情況，Lorentz多峰擬合適用于分立譜線的展寬、相對強(qiáng)度較小的情況。就本實驗的光譜結(jié)果來看，采用Lorentz多峰擬合的效果更好。

利用Origin軟件中的Multiple Peak Fit，選擇峰函數(shù)類型為Lorentz，通過選取分立光譜峰值的大致位置可以得到多峰擬合的結(jié)果，如圖10所示。

圖10 利用多峰擬合得到的分立譜線Fig.10 Spectrum obtained by using multi-peak fitting

得到分立光譜后，就得到了各譜線的中心波長，然后再進(jìn)行譜線的識別。首先，先明確火花放電時空間中存在的主要元素，由于空氣中大部分為氮氣和氧氣，電極材料為不銹鋼，因此，主要元素有N、O、Fe。查閱NIST物理數(shù)據(jù)庫[12]，可得出主要分立譜線的元素種類和電離態(tài)。用上述方法分析典型光譜圖，標(biāo)出元素種類和電離態(tài)，如圖11所示。

圖11 典型光譜圖的譜線識別Fig.11 Spectral line recognition of typical spectrum

4.2 電子溫度的計算

電子溫度是表征等離子體性質(zhì)的重要參數(shù)。等離子體處于熱平衡態(tài)時，電子溫度等于宏觀溫度，處于非熱平衡態(tài)時，電子溫度的變化趨勢反映了宏觀溫度的變化趨勢。發(fā)射光譜法作為一種等離子體診斷技術(shù)，因其所使用的儀器相對簡單，并采用非接觸測量，靈敏度高，響應(yīng)速度快，可廣泛應(yīng)用于各種等離子體性質(zhì)的研究和參數(shù)的診斷[13]。電子溫度的高低反映了等離子體中電子平均動能的大小。

多譜線斜率法是目前等離子體溫度測量中采用最為廣泛的方法。由原子發(fā)射理論可知[14]，假定被測等離子體處于局部熱平衡(LTE)狀態(tài)，選取相同元素的同種原子或離子的多條譜線，獲得其強(qiáng)度I，結(jié)合光譜參數(shù)表中躍遷概率、統(tǒng)計權(quán)重等參數(shù)，按照式(1)繪制出關(guān)于E的Boltzmann圖。

(1)

式中，I為光譜譜線的相對強(qiáng)度；λ為譜線的中心波長(nm)；g為譜線的上能級統(tǒng)計權(quán)重；A為躍遷概率(s-1)；E為上能級譜線的激發(fā)態(tài)能量(J)；k為玻爾茲曼常數(shù)(1.3806505×10-23J/K)；Te為等離子體電子激發(fā)溫度(K)；C為常數(shù)。

式(1)表示ln[Iλ/(gA)]和E呈線性關(guān)系，使用相同元素的同種原子或離子的若干條譜線，測得它們的相對譜線強(qiáng)度，繪成直線圖求其斜率，由此可以計算出等離子體的電子溫度。

用多譜線斜率法測等離子體溫度時，由于應(yīng)用了多條譜線的信息，因此測溫精度較高。選取負(fù)極性，調(diào)壓器輸入電壓180V即輸出電壓峰值為25.5kV，電壓重復(fù)頻率為1kHz，脈沖電壓波形為慢前沿、寬脈寬，環(huán)境氣壓為一個大氣壓作為典型情況進(jìn)行計算，具體計算過程如下。

(1)首先，計算電子溫度，選取NⅡ的四條譜線，并查閱NIST數(shù)據(jù)庫，獲取上述計算中所需要的數(shù)據(jù)、計算ln[Iλ/(gA)]的值，結(jié)果如表1所示。

表1 NⅡ譜線各參數(shù)值Tab.1 Parameters of Spectral line NⅡ

(2)根據(jù)表1描出點，通過線性擬合繪制關(guān)于E的Boltzmann圖，如圖12所示。

圖12 線性擬合后關(guān)于E的Boltzmann圖Fig.12 Boltzmann figure of E after linear fitting

(3)線性擬合得到直線斜率為a=-0.24443，由多譜線斜率法的公式，帶入各參數(shù)數(shù)值，可得：Te=-5040/a≈20619K。由文獻(xiàn)[3]可知，等離子體電子溫度在10000～20000K左右，考慮到分辨出的NⅡ譜線較少，擬合時會出現(xiàn)誤差，該結(jié)果能夠接受。

4.3 計算結(jié)果

計算正極性下的電子溫度。得到關(guān)于E的Boltzmann圖中直線的斜率a=-0.23381，Te=-5040/a≈21555.96K，說明負(fù)極性下的電子溫度比正極性下的要稍高一些，表明負(fù)極性下電子平均動能大。在負(fù)極性電壓作用下，尖板間隙的擊穿電壓峰值更高，此時的放電沉積能量增大，轉(zhuǎn)化為電子平均動能后使得等離子體的電子溫度升高，所以宏觀溫度高。

通過計算得到電子溫度隨施加電壓的變化如圖13所示。

圖13 電子溫度隨施加電壓的變化關(guān)系Fig.13 Relationship between electron temperature and applied voltage

由圖13可見，排除放電分散性的影響，電子溫度隨施加電壓變化總體趨勢是增加的。在20～25kV的范圍內(nèi)，電子溫度變化不大。原因是隨著施加電壓幅值的增大，火花放電的沉積能量變大，從而使等離子體的電子溫度升高，宏觀溫度也相應(yīng)升高。

通過計算得到重復(fù)頻率隨施加電壓的變化如圖14所示。

圖14 電子溫度隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系Fig.14 Relationship between electron temperature and repetition frequency

當(dāng)頻率較低時，火花放電后，電極有比較充裕的時間與外界進(jìn)行熱交換，此時電極上的溫度不是太高，所以等離子體的溫度不高。而隨著重復(fù)頻率的增加，電極散熱的時間減少，高溫電極勢必會影響等離子體的溫度。但是若重復(fù)頻率再增加，高溫電極的熱輻射作用影響也不明顯，電子溫度一直維持在20500K左右。當(dāng)重復(fù)頻率增加到1～2kHz時，電子溫度有明顯的下降，原因是在高頻下絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)時間變小，擊穿電壓相對降低，合成射流的沉積能量變小，導(dǎo)致電子溫度降低。

下面分析電壓脈沖前沿和脈寬對電子溫度的影響。依然利用上述方法，得到負(fù)極性下，輸入電壓為180V，重復(fù)頻率為1kHz，脈沖波形為快前沿、窄脈寬時直線斜率為-0.23157，電子溫度為21764.48K。電子溫度比慢前沿、寬脈寬時得到的電子溫度要稍高，這說明快前沿、窄脈寬的放電沉積能量要稍大一些，原因是快前沿、窄脈寬電壓波形中的副峰會增加放電沉積能量。

利用4.2節(jié)方法計算電子溫度，得到電子溫度隨環(huán)境氣壓變化的關(guān)系圖，如圖15所示。由圖15可知，等離子體中的電子溫度在22000K左右，說明氣壓對電子溫度的影響較小，且在氣壓為50～60kPa時，電子溫度有比較明顯的下降。這是因為40kPa之前，光譜主要是分子譜，50～60kPa時分子譜減弱，離子譜增強(qiáng)，分子電離度增加，對電子能量吸收增大，使得電子能量減小，造成電子溫度的下降。

圖15 電子溫度隨環(huán)境氣壓的變化關(guān)系Fig.15 Relationship between electron temperature and barometric pressure

5 結(jié)論

(1)輸出電壓極性對等離子體發(fā)射光譜形態(tài)的影響不大；在負(fù)尖正板的情況下，電子溫度略高。

(2)電壓幅值對于等離子體發(fā)射光譜的譜線相對強(qiáng)度影響較大，且隨著電壓幅值的增加，在紫外波段(波長200～400nm)，譜線相對強(qiáng)度增加明顯，在波長為500nm左右的譜線相對強(qiáng)度有所增加。電子溫度隨電壓幅值的升高呈現(xiàn)上升趨勢。

(3)等離子體發(fā)射光譜隨電壓重復(fù)頻率變化的分散性較大，且在1kHz及以下光譜圖中的紫外波段較弱，2kHz光譜的紫外波段相對強(qiáng)度較大。重復(fù)頻率低于10Hz和高于1kHz，電子溫度有明顯的下降，在10Hz～1kHz之間，電子溫度維持在20500K左右。

(4)等離子體發(fā)射光譜在慢前沿和快前沿脈沖電壓下的光譜形態(tài)相似，不同處集中在紫外波段，施加慢前沿、寬脈沖電壓得到的發(fā)射光譜在200～300nm的相對強(qiáng)度較大，在快前沿、窄脈沖下的電子溫度略微升高。

(5)低氣壓下，放電光譜譜線主要以分子譜為主，隨著氣壓的升高，離子譜和原子譜以及連續(xù)譜逐漸增強(qiáng)。在50～60kPa時分子譜減弱，離子譜增強(qiáng)，分子電離度增加，對電子能量吸收增大，使得電子能量減小，造成電子溫度的下降。其它壓強(qiáng)下，電子溫度在22000K左右。因此，當(dāng)大氣壓在50～60kPa時，需要適當(dāng)改變電壓激勵參數(shù)以維持電子溫度的穩(wěn)定，從而維持合成射流噴射的穩(wěn)定。

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Emission spectrum characteristics of nanosecond pulsed spark plasma

LI Wei1, WANG Zhi-xin1, SHI Li2

(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Najie Complete Electric Co. Ltd., Shanghai 201111, China)

Plasma synthetic jet control is a new type active flow control technology. Because of its simple structure, quick response, wide frequency band and strong injection, it has become the focus of current research. In order to improve the efficiency, the temperature information of the spark discharge plasma in the chamber is obtained by utilizing plasma emission spectrum. So it is necessary to research on the emission spectrum of the spark discharge under a nanosecond-pulse voltage, including the influence of voltage excitation and ambient pressure. In terms of voltage excitation parameters, there are four factors: voltage polarity, voltage amplitude, repetition frequency, and the leading edge time and width of a single voltage pulse. By fitting and calculating the spectrum, the electron temperature in different conditions can be obtained. Finally, we combine the variation rules of the electron temperature to offer the data for optimizing the synthetic jet performance and increasing the energy efficiency. According to the result of experiment and calculation, it is concluded that a negative, high amplitude, repetition rate between 20 to 1kHz, fast leading edge and narrow width voltage waveform can produce a plasma synthetic jet with high electron temperature. Moreover, when the pressure is between 50kPa to 60kPa, it is wise to change the voltage excitation parameters to maintain the stability of electron temperature, so that the plasma synthetic jet can be stable.

plasma emission spectrum; voltage excitation parameter; ambient pressure; electron temperature

2016-03-18

上海市教育發(fā)展基金項目(2015LM11)、上海市閔行區(qū)產(chǎn)學(xué)研合作計劃項目(2014MH103)

李 威(1993-), 男, 江蘇籍, 碩士研究生, 主要從事高電壓技術(shù)和智能電網(wǎng)方面的研究; 王志新(1964-)， 男， 上海籍， 研究員， 博導(dǎo)， 主要從事風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電方面的研究。

O657.3; TP602

A

1003-3076(2016)11-0029-08