水中流光放電流光絲的再發(fā)光和暫停行為*

王雪 溫小瓊 王麗茹 楊元天 薛曉東

(大連理工大學(xué)物理學(xué)院,大連 116024)

水中流光放電是研究水中放電基本物理、化學(xué)過程的主要研究對象.本文利用四分幅超高速相機(jī)、采用針-板電極結(jié)構(gòu)、在20—800 μS/cm 水電導(dǎo)率范圍內(nèi)研究了水中微秒脈沖流光放電流光絲的再發(fā)光和暫停行為,探討了高水電導(dǎo)率下觀測不到流光絲的再發(fā)光的原因.結(jié)果發(fā)現(xiàn):再發(fā)光在不同的流光絲之間交替發(fā)生并存在兩種模式:一種為整根絲熄滅后再發(fā)光;一種為只有先端部分發(fā)光熄滅隨后恢復(fù)發(fā)光.隨著水電導(dǎo)率的增大,觀測到流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象的頻度急劇減小,540 μS/cm 水電導(dǎo)率時降到零;在20—800 μS/cm 水電導(dǎo)率條件下都可觀測到流光絲伴生沖擊波串分段現(xiàn)象,沖擊波串分段現(xiàn)象的出現(xiàn)頻度在65%以上,表明在20—800 μS/cm 水電導(dǎo)率條件下流光絲的暫停是一種普遍行為.通過測量兩段沖擊波的半徑差得到流光的暫停時間平均為157 ns,幾乎不受水電導(dǎo)率的影響;隨著水電導(dǎo)率的增大,流光絲的發(fā)光強度顯著增大,水電導(dǎo)率大于350 μS/cm 時,流光絲暫停期間內(nèi)流光絲的光強度無法衰減到相機(jī)分辨水平以下,在相機(jī)獲得的發(fā)光圖像上看上去是持續(xù)發(fā)光的,難以分辨出流光絲“熄滅-再發(fā)光”過程.

1 引言

隨著水中放電等離子體應(yīng)用研究的不斷深入和擴(kuò)展[1-5],研究者們越來越感到對水中放電基本物理和化學(xué)過程的認(rèn)識不足[6-8].水中流光放電是研究水中放電基本物理和化學(xué)過程的主要研究對象,近年來受到廣泛的關(guān)注[9-11].

通常,水中流光放電產(chǎn)生數(shù)根流光絲.在低電導(dǎo)率(＜ 100 μS/cm)的水中,利用條紋相機(jī)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象,即:流光絲發(fā)光熄滅之后又再次發(fā)光,在條紋圖像上表現(xiàn)為黑白交替的條紋[12,13],在放電電流波形上表現(xiàn)為一系列的電流尖峰[12,14].但是,在較高電導(dǎo)率的水中(＞ 400 μS/cm),利用條紋相機(jī)觀測不到流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象[12-14].至今無法解釋為什么較高的水電導(dǎo)率條件下觀測不到流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象.

水下流光放電伴生沖擊波.過去的研究已經(jīng)證實沖擊波是從流光頭部發(fā)射的[12,15,16],流光絲在水中每前進(jìn)約160 μm 發(fā)射一個沖擊波[16].流光絲在達(dá)到最大長度時總共發(fā)射數(shù)十個獨立的沖擊波,這些沖擊波以流光絲為中心軸形成沖擊波串[12-16].在20 μS/cm 水電導(dǎo)率下同時觀測了流光絲的發(fā)光和伴生沖擊波,發(fā)現(xiàn)了流光絲的伴生沖擊波圖樣存在分段現(xiàn)象,證明流光絲在水中傳播發(fā)展過程中存在長時間的暫停;同時還發(fā)現(xiàn)了流光絲暫停期間發(fā)光熄滅,恢復(fù)傳播時再次發(fā)光,表明流光絲的再發(fā)光是由流光絲的暫停行為引起的[17].目前尚不清楚在20 μS/cm 以上水電導(dǎo)率條件下流光絲伴生沖擊波圖樣是否也存在分段現(xiàn)象,即是否存在流光絲的暫停行為.

本文的目的是利用四分幅超高速相機(jī)在水電導(dǎo)率20—800 μS/cm 范圍內(nèi)研究水中微秒脈沖流光放電過程中流光絲的再發(fā)光和暫停行為,探討為什么在較高的水電導(dǎo)率條件下難以觀測到流光絲的再發(fā)光.

2 實驗系統(tǒng)

本研究采用針-板電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水中流光放電.圖1 是本研究的實驗裝置圖.陽極針尖曲率為30 μm,電極間距為40 mm.基于探討為什么在較高的水電導(dǎo)率條件下難以觀測到流光絲的再發(fā)光的目的,實驗在20 到800 μS/cm 水電導(dǎo)率范圍內(nèi)進(jìn)行,實驗過程中電壓脈沖的幅值和脈寬分別固定在22 kV 和1.5 μs.用高壓探頭和電流傳感器分別測量放電電壓和電流,并用數(shù)字存儲示波器(Yokogawa)記錄波形數(shù)據(jù).采用四分幅超高速相機(jī)(PCO HSFC-Pro)分別拍攝記錄流光絲發(fā)光圖像和流光絲伴生沖擊波陰影圖像,拍攝陰影圖像時采用632.8 nm 氦氖激光做背光,超高速相機(jī)和電源之間通過光信號實現(xiàn)同步.圖2 是本研究中的放電電壓、電流波形示例.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1.Experimental setup.

圖2 180 μS/cm 水電導(dǎo)率下的放電電壓和電流波形以及相機(jī)快門信號Fig.2.Waveforms of the discharge voltage and current at water conductivity of 180 μS/cm,as well as the camera gating signal.

3 實驗結(jié)果

3.1 流光絲的再發(fā)光

為了研究不同水電導(dǎo)率下水下流光放電流光絲的再發(fā)光特征,脈沖電壓幅值固定在22 kV,分別在水電導(dǎo)率20,60,180,540 和800 μS/cm 的條件下拍攝了水下流光放電的時間演化發(fā)光圖像.針對同一放電脈沖,利用四分幅超高速相機(jī)連續(xù)獲取四幅時間演化圖像.圖3(a)—(c)分別是20,60和180 μS/cm 三個水電導(dǎo)率條件下獲得的典型的連續(xù)四幅流光絲的發(fā)光圖像,圖3 中每一組圖像的CH1 曝光時間均為100 ns,目的是為了確認(rèn)水下流光放電的初期階段究竟產(chǎn)生了幾根流光絲,為后續(xù)判斷究竟其中的哪一根絲發(fā)生了“熄滅-再發(fā)光”現(xiàn)象提供依據(jù).如圖3 所示,在實驗中,20,60和180 μS/cm 三個水電導(dǎo)率條件下觀測到了流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象,但是在540 和800 μS/cm 水電導(dǎo)率的實驗中,沒有觀測到流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象.因此,在圖3 中沒有展示540 和800 μS/cm 水電導(dǎo)率下的發(fā)光圖像.從記錄的流光絲的時間演化發(fā)光圖像中,發(fā)現(xiàn)流光絲的再發(fā)光存在兩種類型:1)流光絲發(fā)光整體熄滅之后整體再發(fā)光,再發(fā)光時流光絲變長且頭部較亮,如圖3 中的a1,a2,b1 和b2,這種類型多見于水電導(dǎo)率60 μS/cm 及以下的流光放電;2)流光絲從頭部向根部熄滅,未等根部完全熄滅頭部再發(fā)光,如圖3 中c1,c2,這種類型多見于水電導(dǎo)率180 μS/cm 時.此外,我們還發(fā)現(xiàn)放電產(chǎn)生的幾根流光絲當(dāng)中,再發(fā)光現(xiàn)象是交替發(fā)生的,其中一根流光絲的再發(fā)光熄滅后,另一根流光絲又發(fā)光,如圖3(a)中的a1 和a2,圖3(b)中的b1 和b2.流光絲的再發(fā)光具有很大的隨機(jī)性,由于我們所使用的超高速相機(jī)系統(tǒng)針對一個放電脈沖只能拍攝四幅連續(xù)的時間演化圖像,在目前的研究中無法通過發(fā)光圖像確定流光絲從熄滅到再發(fā)光所需的時間.流光絲的再發(fā)光所需時間是再發(fā)光現(xiàn)象的一個重要的參量,目前所知的文獻(xiàn)中沒有相關(guān)數(shù)值的報道.

圖3 水下流光放電時間演化圖像 (a)水電導(dǎo)率20 μS/cm,相鄰兩幅圖像的時間間隔為40 ns;(b)水電導(dǎo)率60 μS/cm,相鄰兩幅圖像的時間間隔為40 ns;(c)水電導(dǎo)率180 μS/cm,相鄰兩幅圖像的時間間隔為60 ns.(a)—(c)中CH1 圖像的曝光時間為100 ns,CH2-CH4 圖像的曝光時間為20 ns,圖中所標(biāo)的時間是相對高壓脈沖起始點的時間Fig.3.Light emission images of underwater streamer discharge:(a)20 μS/cm,40 ns interval;(b)60 μS/cm,40 ns interval;(c)180 μS/cm,60 ns interval.The exposure time of the CH1 image in Figure (a)—(c)is 100 ns,and the exposure time of the CH2-CH4 image is 20 ns.The time marked in the Figure 3 is the time to the start of the high-voltage pulse.

根據(jù)記錄的發(fā)光圖像統(tǒng)計了可觀測到再發(fā)光現(xiàn)象的放電脈沖個數(shù),得到了各個電導(dǎo)率條件下再發(fā)光現(xiàn)象出現(xiàn)的頻度.為了比較的方便,再發(fā)光現(xiàn)象出現(xiàn)頻度與3.2 節(jié)的暫停行為出現(xiàn)頻度的統(tǒng)計結(jié)果一起表示在圖5 中.從圖5 可以看出隨著電導(dǎo)率的增大再發(fā)光出現(xiàn)的頻度近似地呈指數(shù)減小,直到540 μS/cm 水電導(dǎo)率時降到零,即在較高水電導(dǎo)率條件下觀測不到流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象.

3.2 流光絲的暫停行為

我們在過去的研究中發(fā)現(xiàn)了20 μS/cm 水電導(dǎo)率下流光絲傳播過程中的暫停行為[17],其判斷的標(biāo)記是流光絲伴生沖擊波圖樣分成半徑顯著不同的幾段.為了確認(rèn)在20 μS/cm 以上更高水電導(dǎo)率條件下流光絲是否也存在暫停行為,采用陰影圖像法,分別在水電導(dǎo)率20,50,200,400,540 和800 μS/cm 的條件下觀測了水下流光放電伴生的沖擊波,確認(rèn)流光絲伴生沖擊波圖樣是否存在分段現(xiàn)象.

圖4 是各個水電導(dǎo)率條件下獲得的流光放電伴生沖擊波陰影圖像示例.在各個水電導(dǎo)率條件下都觀測到了沖擊波串的分段現(xiàn)象:兩段沖擊波串(圖4 中分別標(biāo)記為I,II)的半徑存在顯著差異,與我們之前在20 μS/cm 水電導(dǎo)率下[17]觀測到?jīng)_擊波分段現(xiàn)象一致,表明在20—800 μS/cm 水電導(dǎo)率范圍內(nèi),流光絲在傳播過程中都存在暫停行為.

圖4 流光伴生沖擊波的分段現(xiàn)象 (a)20 μS/cm;(b)50μS/cm;(c)200 μS/cm;(d)400 μS/cm;(e)540 μS/cm;(f)800 μS/cm.圖中所標(biāo)的時間是相對高壓脈沖起始點的時間Fig.4.The segmentation of shock wave chain:(a)20μS/cm;(b)50 μS/cm;(c)200 μS/cm;(d)400 μS/cm;(e)540 μS/cm;(f)800 μS/cm.The time marked in the figure is the time to the start of the high-voltage pulse.

根據(jù)每個水電導(dǎo)率條件下獲得的陰影圖像統(tǒng)計了可觀測到?jīng)_擊波圖樣分段現(xiàn)象的放電脈沖個數(shù),得到了各個電導(dǎo)率條件下沖擊波分段現(xiàn)象出現(xiàn)的頻度(即流光絲暫停行為出現(xiàn)的頻度),結(jié)果如圖5 所示.從圖5 可以看到:流光放電伴生沖擊波串分段現(xiàn)象的出現(xiàn)頻度在65%以上,表明在20—800 μS/cm 水電導(dǎo)率范圍內(nèi)沖擊波串分段是一種普遍現(xiàn)象,即流光絲暫停是一種普遍行為.流光絲的再發(fā)光是由流光絲的暫停行為引起的[17]:流光絲暫停期間流光絲的發(fā)光熄滅,恢復(fù)傳播時流光絲又再發(fā)光.因此,可以認(rèn)為在20—800 μS/cm水電導(dǎo)率范圍內(nèi)流光絲的再發(fā)光是一種普遍現(xiàn)象.但是,圖5 的再發(fā)光出現(xiàn)頻度的統(tǒng)計結(jié)果顯示:在較高水電導(dǎo)率條件下觀測不到流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象.我們將在下一節(jié)中探討其中的原因.

圖5 各種水電導(dǎo)率下流光絲的再發(fā)光和沖擊波串分段出現(xiàn)頻度Fig.5.Appearance rate of the re-illumination and segmentation in shockwave pattern of the streamer filament at different water conductivity.

根據(jù)兩段沖擊波串的半徑差可以估算兩段流光絲之間的暫停時間[17]:其中RI和RII分別為兩段沖擊波串的半徑;C0為水中聲速(1450 m/s).從實驗獲得的沖擊波陰影圖像測定了兩段沖擊波串的半徑,根據(jù)(1)式計算了各個水電導(dǎo)率條件下流光絲的暫停時間,統(tǒng)計得到的平均值如圖6 所示.結(jié)果顯示:各個水電導(dǎo)率條件下流光絲的暫停時間在誤差范圍內(nèi)大致相當(dāng),幾乎不受水電導(dǎo)率的影響,總體平均在(157 ± 37)ns.

圖6 不同水電導(dǎo)率條件下流光絲的暫停時間Fig.6.The pause period of the streamer filament at different water conductivity.

4 討論

圖5 中的流光絲伴生沖擊波陰影圖像的觀測結(jié)果表明流光絲的暫停行為是流光傳播過程中的普遍行為,流光絲的暫停行為導(dǎo)致流光絲的“熄滅-再發(fā)光”[17].但是,圖5 中的流光絲發(fā)光圖像的觀測結(jié)果表明,隨著水電導(dǎo)率的增加,觀測到流光絲再發(fā)光的頻度急劇減小,以致在較高電導(dǎo)率條件下觀測不到流光絲的再發(fā)光.

為了探討隨著水電導(dǎo)率增大在發(fā)光圖像上觀測到流光絲再發(fā)光的頻度急劇減小的物理原因,分析了流光絲從針尖到尾部沿軸向的光強分布.圖7是各個電導(dǎo)率條件下典型的流光絲軸向光強分布,隨著水電導(dǎo)率的增大流光絲的光強大幅度增強.基于圖7 的各水電導(dǎo)率條件下流光絲的發(fā)光強度,按照下式推算了流光絲光強衰減到相機(jī)分辨水平時所需的時間t:其中I,I0分別為相機(jī)的分辨水平和流光絲的光強;λ為光譜線的遷移常數(shù).流光放電發(fā)射光譜的主要成分是氫原子Hα譜線[18,19],因此本研究中選用氫原子Hα譜線的遷移率λ=3.44×106/s[20]進(jìn)行計算.

圖7 不同水電導(dǎo)率下流光絲軸向光強分布Fig.7.Axial distribution of light intensity of the streamer filament at different water conductivity.

圖8 是計算得到的不同水電導(dǎo)率條件下流光絲光強衰減到相機(jī)分辨水平所需的時間.結(jié)果表明水電導(dǎo)率越大流光絲光強衰減到相機(jī)分辨水平所需的時間越長.在20 μS/cm 水電導(dǎo)率下流光絲光強衰減到相機(jī)分辨水平所需的時間約為10 ns,與圖6 得到的流光絲的暫停時間157 ns 相比小得多,因此在20 μS/cm 水電導(dǎo)率下流光絲在157 ns 的暫停期間內(nèi)發(fā)光強度迅速衰減到相機(jī)分辨水平以下,在發(fā)光圖像上表現(xiàn)為熄滅狀態(tài);當(dāng)結(jié)束暫停再次向前延伸發(fā)展時流光絲光強度恢復(fù)到相機(jī)分辨水平以上,在發(fā)光圖像上表現(xiàn)為再發(fā)光,這樣相機(jī)很容易分辨出流光絲的“熄滅-再發(fā)光”過程.而在540 μS/cm 水電導(dǎo)率下流光絲光強衰減到相機(jī)分辨水平所需的時間約為191 ns,比157 ns 的流光絲暫停時間長,在流光絲暫停期間流光絲光強度雖有衰減但仍然高于相機(jī)的分辨水平,在發(fā)光圖像上仍然表現(xiàn)為發(fā)光狀態(tài),相機(jī)觀測不到流光絲的“熄滅-再發(fā)光”過程.因此,隨著水電導(dǎo)率增大流光絲發(fā)光圖像上觀測到再發(fā)光現(xiàn)象的頻度急劇減小的結(jié)果可以歸因于:隨著水電導(dǎo)率的增大流光絲發(fā)光強度大幅度增大,在流光絲暫停期間內(nèi)流光絲的光強度無法衰減到相機(jī)分辨水平以下,在相機(jī)獲得的發(fā)光圖像上看上去是持續(xù)發(fā)光的,難以分辨出流光絲“熄滅-再發(fā)光”過程.

圖8 流光絲光強衰減到相機(jī)分辨水平所需的時間Fig.8.Time for the light intensity of the streamer filament decaying to the noise level of the camera system.

5 結(jié)論

本文利用四分幅超高速相機(jī)在20—800 μS/cm水電導(dǎo)率條件下研究了水下微秒脈沖流光放電流光絲的再發(fā)光和暫停行為.通過對同一放電脈沖連續(xù)拍攝四幅發(fā)光圖像,發(fā)現(xiàn)隨著水電導(dǎo)率的增大,觀測到流光絲的再發(fā)光現(xiàn)象的頻度急劇減小,540 μS/cm 水電導(dǎo)率時降到零,再發(fā)光現(xiàn)象在不同的流光絲之間交替發(fā)生,并存在兩種模式:一種為整根絲熄滅后再發(fā)光;一種為只有先端部分發(fā)光熄滅隨后恢復(fù)發(fā)光.通過觀測流光放電的陰影圖像,發(fā)現(xiàn)在20—800 μS/cm 水電導(dǎo)率條件下觀測到?jīng)_擊波串分段現(xiàn)象的頻度在65%以上,表明在各種水電導(dǎo)率條件下流光絲在傳播過程中都發(fā)生長時間暫停,流光絲的暫停時間平均為(157 ± 37)ns,水電導(dǎo)率幾乎不影響流光絲的暫停時間.通過分析流光絲軸向光強分布發(fā)現(xiàn),隨著水電導(dǎo)率的增大流光絲的光強顯著增大,在流光絲暫停期間(約157 ns),水電導(dǎo)率小于350 μS/cm 時,流光絲光強衰減到相機(jī)分辨能力以下,在發(fā)光圖像上顯示為熄滅狀態(tài);水電導(dǎo)率大于350 μS/cm 時,在流光絲暫停期間內(nèi)流光絲的光強度無法衰減到相機(jī)分辨水平以下,在相機(jī)獲得的發(fā)光圖像上看上去是持續(xù)發(fā)光的,難以分辨出流光絲“熄滅-再發(fā)光”過程.