輝光放電等離子體對(duì)氣壓變化的響應(yīng)特性

李 帆焦俊凱羅海云王偲臣林 峰

（1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院 北京 100049 2. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 3. 清華大學(xué)電機(jī)系氣體放電與等離子體實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

輝光放電等離子體對(duì)氣壓變化的響應(yīng)特性

李 帆1,2焦俊凱3羅海云3王偲臣2林 峰2

（1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院 北京 100049 2. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 3. 清華大學(xué)電機(jī)系氣體放電與等離子體實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

當(dāng)代氣體動(dòng)力學(xué)研究經(jīng)常需要測(cè)量超高頻流動(dòng)現(xiàn)象，而目前使用的測(cè)量技術(shù)手段頻響存在瓶頸?；谳x光放電等離子體原理測(cè)量氣壓的方法，頻響由驅(qū)動(dòng)電源載波頻率決定，有望突破此瓶頸，進(jìn)而捕捉更細(xì)致精確的非定常流動(dòng)信息。在進(jìn)行高頻、超高頻交流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)之前，首先需要研究穩(wěn)態(tài)氣壓對(duì)輝光放電等離子體的影響，即在直流驅(qū)動(dòng)不同電極間隙條件下輝光放電具有的不同放電模式，以及該放電模式下輝光放電的維持電壓對(duì)較寬范圍不同穩(wěn)態(tài)氣壓（0.5～1.0atm）的響應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：間隙50μm電流控制在3～4.5mA范圍，探針工作在反常輝光放電模式，電壓隨著氣壓增大而單調(diào)變小；間隙250μm電流控制在2～3.5mA范圍，探針工作在亞正常輝光放電模式，電壓隨著氣壓增大而單調(diào)增大；間隙190μm時(shí)探針電壓幾乎不隨氣壓變化。

輝光放電 等離子體 穩(wěn)態(tài)氣壓 放電模式 響應(yīng)規(guī)律

0 引言

為了捕捉和提取更細(xì)致精確的非定常流動(dòng)信息和三維流場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，如湍流、非定常分離泡以及流動(dòng)失穩(wěn)等，氣體動(dòng)力學(xué)研究者們期望傳感器頻響能夠達(dá)到MHz級(jí)別。而目前廣泛使用的壓阻式傳感器和熱線風(fēng)速儀受質(zhì)量慣性和熱慣性的限制，頻響無法高于500kHz[1-5]。基于輝光放電等離子體原理測(cè)量氣動(dòng)參數(shù)的方法，頻響由驅(qū)動(dòng)電源載波頻率決定，有望突破此瓶頸。事實(shí)上，早在1934年，加州理工學(xué)院就提出用輝光放電等離子體來制作高頻響速度探針，但由于大氣壓輝光放電的理論和實(shí)驗(yàn)研究在最近三十年才不斷取得一些突破[6-11]，以及電子工程與信號(hào)處理水平的限制，所以這種基于等離子體的測(cè)量探針很長(zhǎng)時(shí)間都沒有發(fā)展起來。然而，近年來，隨著航空航天領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對(duì)測(cè)量技術(shù)頻響的要求越來越高，這種基于輝光放電等離子體的超高頻氣壓測(cè)量方法又一次進(jìn)入了研究者的視野。以下對(duì)此發(fā)展歷程做一簡(jiǎn)要回顧。

1934年，Lindvall[12]最早利用直流輝光放電測(cè)量圓柱尾跡速度。1949年，Mettler[13]成功研制出一個(gè)噪聲低的直流輝光放電風(fēng)速計(jì)，在1.6 Ma下試驗(yàn)成功，并發(fā)現(xiàn)風(fēng)速計(jì)對(duì)溫度不敏感。1955年Werner[14]設(shè)計(jì)了未補(bǔ)償頻響超過100kHz可以在0.8Ma試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)量的風(fēng)速計(jì)。在早期的輝光放電風(fēng)速計(jì)研制過程中，Vrebalovich[15]的工作比較突出，不僅對(duì)直流輝光放電風(fēng)速計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)（電極間隙為76.2μm），延長(zhǎng)了電極壽命，還探索了交流輝光放電設(shè)計(jì)。他利用具有700kHz載波頻率的交流電驅(qū)動(dòng)探針，測(cè)量了從1.3～4Ma的附面層。

由于等離子體探針的想法非常超前，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)航空航天等行業(yè)對(duì)高頻高速非定常氣體動(dòng)力學(xué)測(cè)量?jī)x器的需求，而且在高壓變頻電源、電極材料、大氣壓輝光放電等方面對(duì)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平提出了過高的要求，因此，在經(jīng)歷了初期的研究之后漸漸被擱置下來，相關(guān)研究轉(zhuǎn)到等離子體流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)上。直到2000年人們開始重新審視它的優(yōu)點(diǎn)，研究其機(jī)理以及全新的應(yīng)用。2005年前后，美國(guó)圣母大學(xué)的Matlis和Corke[16,17]設(shè)計(jì)的等離子體風(fēng)速計(jì)由2MHz的交流電驅(qū)動(dòng)，可以在高馬赫數(shù)、高焓風(fēng)洞試驗(yàn)中穩(wěn)定工作，在5Ma時(shí)仍對(duì)質(zhì)量通量的均值和脈動(dòng)成分高度敏感，并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。除了對(duì)前人在風(fēng)速計(jì)應(yīng)用方面的進(jìn)一步拓展，他們還將一個(gè)熱電偶改裝成能夠嵌在機(jī)匣壁面的等離子體探針（2MHz的交流電驅(qū)動(dòng)）[18]，以期屏蔽質(zhì)量流量中的速度分量，用來感受壁面的壓力擾動(dòng)。通過對(duì)比放置在高速壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)葉片前緣上游的Kulite壓力傳感器及前緣下游的等離子體壓力探針各自獲得的失速時(shí)域信號(hào)及自相關(guān)系數(shù)可以看出，二者幾乎可以同時(shí)捕捉壓氣機(jī)失速時(shí)壓力的大幅波動(dòng)。

綜上所述，前人在探索利用輝光放電等離子體測(cè)量氣動(dòng)參數(shù)的工作都是圍繞氣流速度展開。但由于等離子體探針本身的感知部件與所測(cè)量的環(huán)境息息相關(guān)，氣流速度變化必會(huì)帶來相應(yīng)的壓力變化，因此速度與壓力如何解耦的問題阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。在壁面壓力測(cè)量方面，Matlis和Corke[18]將探針嵌在機(jī)匣壁面，捕捉到了壓氣機(jī)失速時(shí)壓力的高頻大幅波動(dòng)，但輝光放電等離子體與氣體壓力的耦合機(jī)制尚未清楚，在應(yīng)用到壓氣機(jī)測(cè)量之前也未經(jīng)電壓-氣壓關(guān)聯(lián)性的標(biāo)定過程，具有一定盲目性。

輝光放電等離子體作為一種新的測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用到實(shí)際流場(chǎng)測(cè)量之前，首先需要研究實(shí)驗(yàn)條件環(huán)境下氣體放電對(duì)氣壓變化的響應(yīng)是否具有單調(diào)唯一性和足夠的敏感性。從氣體放電理論可知，這兩個(gè)決定測(cè)量等離子體探針的主要指標(biāo)不僅與探針的放電模式及穩(wěn)定性有關(guān)，而且與被測(cè)流場(chǎng)的壓力波動(dòng)頻率和放電所需交流電場(chǎng)頻率之間的相互耦合有關(guān)。因此有必要開展大氣壓輝光放電等離子體的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)等離子體與氣壓之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行原理性驗(yàn)證和分析，嘗試提出有效產(chǎn)生和可靠控制大氣壓輝光放電的指導(dǎo)原則，為其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合提供理論支撐依據(jù)及設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則。

在這個(gè)大背景下，本文對(duì)大氣壓輝光放電等離子體對(duì)穩(wěn)態(tài)氣壓的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，即研究直流驅(qū)動(dòng)條件下不同放電間隙時(shí)，探針維持電壓對(duì)不同穩(wěn)態(tài)氣壓的響應(yīng)規(guī)律。內(nèi)容安排如下：首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量設(shè)備作簡(jiǎn)要介紹；然后，對(duì)常見的氣動(dòng)參數(shù)測(cè)量原理進(jìn)行介紹，及采用輝光放電等離子體進(jìn)行氣壓測(cè)量的可行性分析；最后針對(duì)電極間隙和回路電流這兩個(gè)影響輝光放電模式的重要變量展開詳細(xì)研究，即直流驅(qū)動(dòng)條件下不同電極間隙時(shí)探針?biāo)幍妮x光放電階段，以及在這些模式下輝光放電的維持電壓對(duì)較寬范圍不同穩(wěn)態(tài)氣壓（0.5～1.0atm）（1atm=101 325Pa）的響應(yīng)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量設(shè)備介紹

1.1 等離子體放電顯微觀察平臺(tái)

為了盡可能精確測(cè)量、控制及在線調(diào)節(jié)電極間隙，方便更換電極（包括更換電極材料、尺寸等），并且實(shí)現(xiàn)在線觀察放電狀態(tài)，設(shè)計(jì)了等離子體放電顯微鏡觀察平臺(tái)，用來精確控制保證放電區(qū)域在顯微鏡的視野內(nèi)，如圖1所示。其中電極材料為較穩(wěn)定的金屬鉑，陰陽(yáng)極同軸放置，直徑均為0.5mm，電極端部用800目砂紙打磨使其平整；間隙距離通過與陰極相連的螺旋測(cè)微器調(diào)整，并在300倍顯微鏡下觀察控制。

圖1 放電顯微觀察平臺(tái)（電極間隙250μm，放大倍數(shù)300倍）Fig.1 The electrode spacing under the microscope（electrod gap is 250μm, 300 times）

1.2 氣體放電室及測(cè)量設(shè)備介紹

圖2為等離子體壓力探針靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)組成示意圖。圖3為氣體放電室實(shí)物，壓力氣罐由304不銹鋼制作的圓桶形腔體，放電室腔體上有3個(gè)直徑為20cm的觀察窗，以滿足同時(shí)對(duì)放電進(jìn)行肉眼觀察、高速照相和光譜診斷的需要。為了方便頂部蓋板的拆卸，高壓引線經(jīng)由聚四氟乙烯套筒絕緣子從放電室腔側(cè)面引入。放電室腔體四周和底面設(shè)計(jì)有KF40接口6個(gè)，KF25接口2個(gè)。除了接真空計(jì)、壓力真空表、充氣口、微抽氣口、電流引出口之外，剩余的作為備用接口。真空系統(tǒng)由真空機(jī)組和測(cè)量規(guī)管組成，真空機(jī)組由一臺(tái)機(jī)械泵和一臺(tái)油擴(kuò)散泵組成。設(shè)計(jì)壓力（絕對(duì)壓力）為0～120kPa。實(shí)驗(yàn)中的氣壓通過真空泵和閥門進(jìn)行控制，氣壓的精確測(cè)量使用Inficon公司的BCG450完成，其測(cè)量范圍為5×10-8Pa～150kPa，測(cè)量精度在1%以內(nèi)。

圖2 等離子體壓力探針靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)組成示意圖A—壓力氣罐 B—泵組 C—?dú)鈮罕?D—觀察窗 E—相機(jī)F—高壓線入口 G—地線出口 H—放電顯微觀察平臺(tái)I—高速示波器 J—高壓電源 K—限流電阻 L—采樣電阻Fig.2 The schematic system for plasma pressure probe static calibration

圖3 氣體放電室實(shí)物Fig.3 Gas discharge chamber

圖4為該方案的等效電路，為了防止擊穿瞬間電流過大，導(dǎo)致電極過熱燒蝕嚴(yán)重，選取RK為限流電阻，通常為100～500kΩ，將電路中的電流大小控制在mA級(jí)。實(shí)驗(yàn)中，通過測(cè)量一個(gè)已知電阻值的無感電阻（即RL電流采樣電阻）上的電壓，可以知道電路中的總電流（包括氣隙等效電容上的位移電流和氣體放電電流）。該無感電阻串接在介質(zhì)阻擋放電的下電極和電路地之間。當(dāng)進(jìn)行大氣壓空氣裸電極放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于放電電流很?。╩A級(jí)），故需選用較大的電阻測(cè)量電流才能得到足夠高電壓，以提高信噪比。因此，選用阻值為509Ω的低感金屬膜電阻。并由高壓探頭直接測(cè)量探針兩端的電壓Vgas及電流采樣電阻RL兩端的電壓VL，由此換算得到電路中的電流大小為

圖4 等效電路Fig.4 The equivalent circuit

測(cè)量所得到電壓和電流波形都經(jīng)過波阻抗為50Ω的高頻同軸電纜傳輸?shù)揭慌_(tái)數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄下來，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容介紹

實(shí)驗(yàn)時(shí)，高壓直流電源產(chǎn)生的直流電，通過絕緣四氟乙烯套筒進(jìn)入放電室中，加在等離子體探針上，此時(shí)電壓和電流的大小由示波器測(cè)量得到。在把握氣體放電特性的基礎(chǔ)上，保證電極間隙盡可能均勻，電極表面平整且平行，使放電能夠穩(wěn)定工作。

首先，大氣壓條件下固定某一間隙和電流，得到穩(wěn)定柔和的輝光放電，測(cè)量維持電壓隨放電時(shí)間的變化曲線，以研究和確認(rèn)利用等離子體測(cè)量氣壓的穩(wěn)定性。

然后，改變電極間隙，研究不同間隙的探針維持電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)規(guī)律。具體操作方法為：通過調(diào)節(jié)外加電壓的幅值，保持電流不變，改變放電室氣壓，記錄放電室內(nèi)氣壓及輝光放電穩(wěn)定后的電壓值。一組結(jié)束之后，再改變電極間隙，重復(fù)上述過程，便可以得到不同電極間隙時(shí)的氣壓與探針兩端電壓的關(guān)系曲線。

在此基礎(chǔ)上，選取兩個(gè)典型的電極間隙，分別進(jìn)行其不同氣壓下的伏安特性曲線測(cè)量。具體實(shí)驗(yàn)操作方法如下：保持間隙和氣壓不變，通過調(diào)節(jié)外加電壓的幅值，每次改變電流0.5mA，記錄此時(shí)電流值及輝光放電穩(wěn)定后的電壓值，得到一條V-I特性曲線；改變氣壓0.1atm，重復(fù)上述過程，得到某一電極間隙時(shí)一組不同氣壓下的探針V-I特性曲線。實(shí)驗(yàn)時(shí)電流同樣不能過大或過小，所取范圍均能保證其放電狀態(tài)持續(xù)穩(wěn)定。

最后，比較不同電流下探針對(duì)氣壓的靈敏度，為實(shí)際測(cè)量環(huán)境下的探針設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)氣體放電理論，這種大氣壓微間隙的氣體放電可能存在湯森放電、輝光放電和電弧等多種放電模式。電壓幅值、電極間隙、電極材料等參數(shù)對(duì)放電模式都會(huì)有影響，任何一個(gè)因素的改變（可控或不可控的改變）都可能影響氣體放電的放電模式。其中維持電壓幾百～幾千伏的輝光放電最容易實(shí)現(xiàn)和控制，具有較低的mA級(jí)放電電流，不易燒蝕電極，因此期望探針的放電模式集中在這個(gè)區(qū)域。

由圖5氣體放電伏安特性曲線可知，輝光放電可以分為三個(gè)階段：管壓降V隨電流增大而降低的亞正常輝光放電區(qū)，即點(diǎn)D到點(diǎn)E；管壓降V隨電流增大基本保持不變的正常輝光放電，即點(diǎn)E到點(diǎn)F；管壓降V隨電流增大而增大的反常輝光放電區(qū)，即點(diǎn)F到點(diǎn)G。此時(shí)如果繼續(xù)增大電源電壓，管壓降V將隨電流增大而降低，即點(diǎn)G到點(diǎn)H所對(duì)應(yīng)的輝光到電弧的過渡區(qū)域。由此可見，不同的輝光放電階段具有不同的阻抗特性，這將作為判斷探針放電模式的判據(jù)[19,20]。

圖5 氣體放電伏安特性曲線Fig.5 Definition of different gas-discharge regimes based on voltage-current properties

那么，不同的輝光放電模式，是否會(huì)影響等離子體對(duì)氣壓的響應(yīng)規(guī)律呢？由氣體放電理論可知，電極間隙和回路電流是影響輝光放電模式的兩個(gè)重要因素，因此本節(jié)將針對(duì)這兩個(gè)變量分為四部分，詳細(xì)研究氣壓對(duì)輝光放電等離子體的影響。即直流驅(qū)動(dòng)條件下不同電極間隙時(shí)探針?biāo)幍妮x光放電階段，以及在這些模式下輝光放電的維持電壓對(duì)較寬范圍不同穩(wěn)態(tài)氣壓（0.5～1.0atm）的響應(yīng)規(guī)律。

2.1 大氣壓下輝光放電的穩(wěn)定性

首先對(duì)該探針在大氣壓下輝光放電的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，電極間隙為250± 10μm（因?yàn)闂l件限制，對(duì)間隙的估計(jì)存在誤差）。實(shí)驗(yàn)時(shí)維持電源電壓不變，固定外電路電流，每30s記錄一次電壓，連續(xù)記錄110min，得到圖6探針電壓隨時(shí)間的波動(dòng)變化。

圖6 大氣壓下輝光放電隨時(shí)間的維持電壓變化Fig.6 Time-dependent voltage of a glow discharge at atmospheric pressure

選取的電流不能過大或過小，過大會(huì)灼熱電極，過小則放電區(qū)域會(huì)集中在某點(diǎn)，造成局部嚴(yán)重?zé)g，并且輝光容易熄滅，綜合考慮本次實(shí)驗(yàn)選取的電流為3mA。由于示波器測(cè)量的準(zhǔn)確度所限，測(cè)量的電壓值均為整數(shù)。從圖6中可以看出，在啟輝后的20min電壓從377V增大了1V，此后60min內(nèi)均保持穩(wěn)定在378V，從80～110min電壓值在378V和379V之間波動(dòng)。因此得到250±10μm的穩(wěn)定電壓為378±1V，誤差為0.26%，完全可以忽略不計(jì)。

2.2 不同電極間隙時(shí)電壓對(duì)氣壓的響應(yīng)規(guī)律

本次實(shí)驗(yàn)選取的電流仍為3mA，由于間隙的變化對(duì)探針的放電模式影響很大，因此選擇了三個(gè)不同的電極間隙范圍即50±10μm，190±10μm和250± 10μm。每種間隙分別從0.3atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）上升到1.0atm，每0.1atm取一次數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線如圖7所示。此處注明一下靈敏度的定義，即電壓-氣壓曲線的斜率ΔVgas/ ΔP，曲線斜率越大，探針的靈敏度越高，也就意味著能夠感受到的氣壓變化越小。

如圖7校準(zhǔn)曲線所示，50±10μm電極間隙時(shí)電壓隨著氣壓升高而減小，具有良好的單調(diào)遞減趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的電壓變化為35V；190±10μm電極間隙時(shí)探針電壓在0.3～0.6atm氣壓范圍內(nèi)時(shí)從362V遞減到355V，0.6～1.0atm氣壓范圍時(shí)從355V上升到362V，電壓變化幅度小且不符合單調(diào)趨勢(shì)；250±10μm電極間隙時(shí)平均探針電壓隨著氣壓升高而增大，呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的電壓變化為25V。

圖7 不同電極間隙下固定電流探針對(duì)氣壓的響應(yīng)曲線Fig.7 The response curves between discharge voltage and pressure at constant current under different electrode spacing

2.3 典型電極間隙在不同氣壓下的伏安特性曲線

以上分析可知，50±10μm和250±10μm兩種電極間隙均表現(xiàn)出對(duì)氣壓變化的高靈敏度，然而趨勢(shì)卻截然相反。

因此選取這兩個(gè)量級(jí)的典型電極間隙分別進(jìn)行不同氣壓下的伏安特性曲線分析，探索曲線規(guī)律代表的物理意義。伏安特性曲線使探針在某一固定電極間隙時(shí)的放電模式一目了然，并且發(fā)現(xiàn)不同電流下探針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的放電模式不盡相同，而這是決定探針對(duì)氣壓是否單調(diào)響應(yīng)和靈敏度大小的重要因素。這組曲線的用法如下：

（1）從探針電壓和電流之間的關(guān)系判斷探針的放電模式。

（2）由氣體放電相似性準(zhǔn)則預(yù)測(cè)探針在高氣壓時(shí)的放電模式。

（3）選取某一特定電流，即可得到該電流下探針維持電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)曲線。

（4）方便找到探針合適的工作電流范圍，確保足夠大的功率又不過度燒蝕電極。

（5）比較不同電流下探針對(duì)氣壓的靈敏度，為實(shí)際測(cè)量環(huán)境下的探針設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖8 電極間隙50μm時(shí)不同氣壓下的伏安特性曲線Fig.8 The effect of pressure on the current-voltage characteristics curves with an electrode spacing of 50μm

圖9 電極間隙250μm時(shí)不同氣壓下的伏安特性曲線Fig.9 The effect of pressure on the current-voltage characteristics curves with an electrode spacing of 250μm

圖8和圖9分別給出了50μm和250μm電極間隙時(shí)的伏安特性曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)探針電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)在不同的電流下，并不總是單調(diào)關(guān)系，因此有必要分開討論。

首先分析50μm電極間隙，由原理依據(jù)可知，輝光放電階段定性分為亞正常輝光放電、正常輝光放電及反常輝光放電。對(duì)于0.5～0.8atm氣壓范圍時(shí)，電壓隨著電流升高而升高，即正阻抗特性，可以認(rèn)為此時(shí)工作在反常輝光階段。對(duì)于0.9～1.0atm的氣壓范圍內(nèi)，電壓與電流的關(guān)系首先表現(xiàn)為負(fù)阻抗特性，即隨著電流的增大電壓逐漸降低，經(jīng)過2mA左右的極小值之后，又呈現(xiàn)正阻抗特性，因此我們認(rèn)為這分別對(duì)應(yīng)亞正常輝光放電、反常輝光放電，其中正常輝光放電的“平臺(tái)區(qū)”極短，因此在伏安特性曲線上不太明顯。

再對(duì)這組曲線進(jìn)行整體分析，可以看出，當(dāng)電流小于2.5mA時(shí)，由于0.9～1.0atm氣壓范圍內(nèi)的探針放電模式與其他氣壓范圍內(nèi)的不同，因此1～2.5mA電流范圍內(nèi)的探針電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)是非單調(diào)性的，即0.5～0.8atm時(shí)電壓值隨著氣壓增大而變小，0.9atm時(shí)突然變大，甚至高于0.6atm時(shí)的電壓。而當(dāng)電流范圍在3～5.5mA范圍內(nèi)時(shí)，由于所有氣壓范圍內(nèi)的探針放電模式都處于反常輝光放電工作模式，因此探針電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)是單調(diào)性的，即從0.5～1.0atm氣壓范圍內(nèi)電壓值均隨著氣壓增大而變小，這和2.2節(jié)的響應(yīng)趨勢(shì)一致。需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)電流大于5mA時(shí)，雖然探針電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)仍是單調(diào)的，但此時(shí)電極燒蝕嚴(yán)重，并且接近向電弧放電的過渡區(qū)，因此規(guī)律具有一定的不可預(yù)見性。

再來分析圖9電極間隙250μm時(shí)不同氣壓下的伏安特性曲線。由圖可知，0.5atm時(shí)伏安特性曲線首先呈負(fù)阻抗特性（亞正常輝光放電），當(dāng)電流3.5mA＜I＜5mA時(shí)呈正阻抗特性（反常輝光放電），其他氣壓范圍如0.6～1.0atm時(shí)，電壓均隨著電流升高而降低，即負(fù)阻抗特性，認(rèn)為此時(shí)探針工作在亞正常輝光階段。

再對(duì)這組曲線進(jìn)行整體分析，可以看出，當(dāng)I＜2mA時(shí)，0.9～1.0atm氣壓范圍不能再維持輝光放電，但對(duì)于0.5～0.8atm氣壓范圍探針電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)仍是單調(diào)的，即電壓值均隨著氣壓增大而增大。當(dāng)電流范圍在2～3.5mA范圍內(nèi)時(shí)，由于所有氣壓范圍內(nèi)的探針放電模式都處于亞正常輝光放電，因此探針電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)是單調(diào)性的，即從0.5～1.0atm氣壓范圍內(nèi)電壓值均隨著氣壓增大而增大。當(dāng)I＞3.5mA后，由于0.5atm氣壓的探針放電模式與其他氣壓不同，因此該電流范圍內(nèi)的探針電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)是非單調(diào)性的。但如果只看0.6～1.0atm氣壓范圍，當(dāng)電流范圍處于4.0～5.0mA時(shí)，電壓值仍是隨著氣壓增大而增大，只是靈敏度低于1.0～3.5mA電流范圍。

由2.2節(jié)知道，在3mA電流下，250μm電極間隙和50μm電極間隙最大的不同在于，前者是電壓與氣壓呈單調(diào)遞增關(guān)系，后者呈單調(diào)遞減關(guān)系，而上面也已經(jīng)分析過，3mA時(shí)50μm電極間隙的探針工作在反常輝光階段，250μm電極間隙的探針工作在亞正常輝光階段。綜上所述，得出以下結(jié)論：①電極間隙和電流是兩個(gè)影響輝光放電模式的重要因素；②當(dāng)氣壓在較寬范圍內(nèi)變化時(shí)，探針的放電模式仍保持不變（亞正常輝光放電或是反常輝光放電），維持電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)才是單調(diào)唯一的；③電極間隙50μm電流控制在3～4.5mA范圍，探針工作在反常輝光放電模式，維持電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)單調(diào)遞減，即0.5～1.0atm氣壓范圍內(nèi)維持電壓隨著氣壓增大而變?。虎茈姌O間隙250μm電流控制在2～3.5mA范圍，探針工作在亞正常輝光放電模式，維持電壓對(duì)氣壓變化的響應(yīng)是單調(diào)遞增的，即從0.5～1.0atm氣壓范圍內(nèi)維持電壓隨著氣壓增大而增大。

2.4 電流對(duì)探針氣壓靈敏度的影響

由2.3節(jié)可知，電極間隙50μm探針維持電壓對(duì)氣壓變化單調(diào)遞減響應(yīng)時(shí)，可選的電流范圍為3～4.5mA；電極間隙250μm探針維持電壓對(duì)氣壓變化單調(diào)遞增響應(yīng)時(shí)，可選的電流范圍為2～3.5mA。本節(jié)對(duì)這兩種典型電極間隙選取不同電流時(shí)的靈敏度進(jìn)行分析，比較電流對(duì)探針氣壓靈敏度的影響，為實(shí)際測(cè)量環(huán)境下的探針設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖10和圖11所示分別為電極間隙為50μm和250μm，四種不同電流（3mA、3.5mA、4mA、4.5mA）條件下不同電流探針對(duì)氣壓的響應(yīng)曲線。由圖10可知，四條曲線均具有良好的單調(diào)遞減趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的電壓變化分別為30V、31V、32V、31V，靈敏度整體變化不大。由可圖11可知，四條曲線也均具有良好的單調(diào)遞增趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的電壓變化分別為46V、34V、26V、22V，靈敏度隨著電流的增大呈降低趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文采用直流驅(qū)動(dòng)對(duì)等離子體與氣壓之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)和分析，結(jié)合氣體放電理論，分析幾種典型電極間隙下的放電模式的影響因素及其診斷、轉(zhuǎn)化和控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在固定電極間隙和特定電流范圍內(nèi)，輝光放電等離子體對(duì)氣壓變化的響應(yīng)有良好的單調(diào)唯一性和足夠高的敏感性，在測(cè)量空氣壓力方面完全具有可行性。具體結(jié)論如下。

圖10 電極間隙50μm不同電流探針對(duì)氣壓的響應(yīng)曲線Fig.10 The response curves between discharge voltage and pressure at different constant current with an electrode spacing of 50μm

圖11 電極間隙250μm不同電流探針對(duì)氣壓的響應(yīng)曲線Fig.11 The response curves between discharge voltage and pressure at different constant current with an electrode spacing of 250μm

1）通過改變氣壓和外加電壓，測(cè)量了不同間隙下的放電伏安特性，得到了亞正常輝光放電、反常輝光放電等不同的放電模式。不同的輝光放電模式下，探針維持對(duì)氣壓的變化響應(yīng)規(guī)律不同，只有選擇合適的間隙距離和電流，保證探針始終工作在同一種放電模式（無論是穩(wěn)定在亞正常輝光放電模式還是反常輝光放電模式），才能得到探針維持電壓對(duì)氣壓變化的單調(diào)響應(yīng)曲線。

2）電極間隙50μm四種不同電流（3mA、3.5mA、4mA、4.5mA）條件下，均具有良好的單調(diào)遞減趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的電壓變化分別為30V、31V、32V、31V，靈敏度整體變化不大。

3）電極間隙250μm四種不同電流（2mA、2.5mA、3mA、3.5mA）條件下，均具有良好的單調(diào)遞增趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的電壓變化分別為46V、34V、26V、22V，靈敏度隨著電流的增大呈降低趨勢(shì)。這些結(jié)果都將為進(jìn)一步研發(fā)高頻響等離子體氣壓探針打下基礎(chǔ)。

然而，直流驅(qū)動(dòng)等離子體探針有個(gè)致命的缺點(diǎn)：電極濺射嚴(yán)重，需要經(jīng)常清理間隙內(nèi)的雜質(zhì)及打磨電極表面保證表面平整清潔。雖然目前的顯微鏡觀察平臺(tái)已經(jīng)盡可能保證電極間隙的均勻，較精確和靈活控制間隙大小，但仍是難以保證每次重新調(diào)整電極后與上一次完全相同，而這也是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的主要來源。交流驅(qū)動(dòng)是有效解決電極濺射問題的方法，因此下一步的工作，將會(huì)在目前直流驅(qū)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，展開對(duì)低頻交流、超高頻交流驅(qū)動(dòng)輝光發(fā)電探針的研究。

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Response Regularity Between Glow Discharge Plasma and Static Pressure Change

Li Fan1,2Jiao Junkai3Luo Haiyun3Wang Sichen2Lin Feng2
（1. School of Physics University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China 2. Key Laboratory of Advanced Energy and Power Institute of Engineering Thermophysics Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 3. Gas Discharge and Plasma Laboratory Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China）

The frequency response of traditional measurement instruments cannot break through MHz level. In order to investigate more complicate unsteady flow, the new theory needs to be developed, where the field of glow discharge (GD) has the potential to obtain ultra-high frequency response. Before the high-frequency AC drive experiment, the coupling relationship of GD plasma and air pressure was analyzed. Thus, a direct voltage was applied to the electrodes in the experiment, to explore the response regularity between discharge voltage and a wide range of static pressure (0.5～1.0 atmosphere pressure). The results demonstrate that for a spacing of 50μm with the current increasing from 3mA to 4.5mA, the calibrated curves between discharge voltage and pressure decrease monotonically, working in the “abnormal” GD regime. On the contrary, the calibrated curves for a spacing of 250μm with the current increasing from 2mA to 3.5mA, increase monotonically, working in the “sub-normal” GD regime.

Glow discharge, plasma, static pressure, discharge model, response regularity

TO531；TM213

李 帆 女，1989年生，博士，氣動(dòng)測(cè)量?jī)x器研制及葉輪機(jī)械內(nèi)部非定常流動(dòng)研究。

E-mail: lifan@iet.cn

羅海云 男，1982年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇髿鈮航橘|(zhì)阻擋均勻放電。

E-mail: lhy@tsinghua.edu.cn（通信作者）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51176188、51406201）。

2016-05-30 改稿日期 2016-09-20