近日，大連理工大學物理學院的楊德正教授團隊在納秒火花放電中的超快擊穿過程的研究中取得新進展，研究成果以"Fast breakdown process and characteristics diagnosis of nanosecond pin-pin discharge"為題發表在國際著名期刊“Journal of Physics D: Applied Physics"上。
大氣壓下電極之間的火花放電是最常見的放電現象，其應用也十分廣泛。單脈沖高能量輸入和產生的豐富的活性物種使火花放電在CO2分解、甲烷轉化和固氮等領域受到極大關注。近年來納秒脈沖技術的發展不僅降低了應用過程中的能量成本，而且促進了火花放電在等離子體輔助燃燒領域的應用。然而，為了在實際應用中對瞬態火花放電進行更好的控制，針對一些至關重要的問題，如對快速放電擊穿過程和活性物種的產生機制等還需要進行更加深入的研究。
本文系統地研究了大氣壓下單個納秒脈沖內的火花放電擊穿現象，通過聯合使用條紋相機與ICCD相機，捕捉到了單脈沖內火花放電通道的擊穿及演化過程。同時，利用時間分辨的光學發射光譜（OES）技術對放電過程中產生的各活性物種的產生及其淬滅過程進行了分析，并對納秒脈沖火花放電等離子體的氣體溫度以及電子密度等特性進行了診斷。
實驗裝置圖如下圖所示，放電電極由兩根鎢針組成，電極間隙控制在2mm，火花放電由納秒脈沖電源驅動產生。利用DG645同步納秒脈沖電源、條紋相機以及ICCD相機捕獲火花放電超快擊穿過程以及放電模式演化過程的圖像，同時，利用DG645同步納秒脈沖電源以及發射光譜儀完成對放電過程中產生的活性粒子的產生和淬滅過程的診斷。
圖1. 實驗裝置圖
從圖2所示的ICCD圖像中可以看到，放電擊穿起始于第48 ns，同時可以觀察到明亮的陰極亮斑的存在。隨放電時間延長至283 ns，火花放電通道開始發展，且放電通道持續變寬。283ns之后，火花放電通道開始熄滅，且放電強度逐漸變弱。
圖2. 火花放電通道演化的ICCD圖像
由于初始擊穿過程和流光到火花階段的轉換過程通常在幾納秒的時間尺度內完成，ICCD相機難以捕捉到其中變化，因此需要使用分辨率更高的條紋相機，圖3-4為條紋相機采集到的火花放電過程圖像，采集的時間窗口分別設置為980ns（Δ t=9.8ns）以及10 ns（Δ t=9100 ps）。從圖3中可以發現，在形成放電通道的初期，靠近負極的放電發光更強。而在形成放電通道之后，正極附近的放電更強一些。1500ns之后，火花放電通道熄滅，而在負極附近仍然可以觀察到放電等離子體的余輝。
圖3. 980ns時間窗口下條紋相機采集到的火花放電圖像
當把條紋相機開到10ns的時間窗口下時（Δ t=100 ps)，可更加清晰地觀測到火花放電通道的擊穿和產生的過程（圖4）。圖中可見在陰極亮斑出現之前存在一個均勻放電的階段，這個階段大概持續了1.8ns，而這個階段在圖2中無法被ICCD相機分辨出來。條紋相機圖像清楚地揭示了火花通道形成的五個過程。（1）初始均勻放電階段；（2）陰極亮斑的出現；（3）兩個電極附近陰極絲及陽極絲的出現；（4）陰極絲及陽極絲的傳播；（5）陰極絲及陽極絲的匯合以及火花放電通道的形成。
圖4. 10ns時間窗口下條紋相機采集到的火花放電圖像
配置推薦
本文火花放電的快速分解和演化過程采用使用卓立漢光公司的ST-10條紋相機采集得到。ST-10條紋相機時間分辨率可達到5ps，可匹配多種焦長光譜儀，快速追蹤火花放電、爆炸等超快發光的動力學過程。
基于條紋相機的超快時間分辨系統
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