本期速读一篇近期发表的纳秒脉冲电压作用下，空气针-针电极间由流注放电和火花放电两个阶段等离子体特性的实验诊断研究
本期速读一篇近期发表的纳秒脉冲电压作用下，空气针-针电极间由流注放电和火花放电两个阶段等离子体特性的实验诊断研究[1]。 [1] LO, A., CESSOU, A., LACOUR, C., et al. Streamer-to-spark transition initiated by a nanosecond overvoltage pulsed discharge in air. Plasma Sources Science and Technology, 2017, vol. 26, no 4, p. 045012. 实验研究对象包含放电气体温度、电子温度和电子密度，研究方法为发射光谱分析（N2(C-B)与N+），研究目的是为对应的理论分析、数值模拟提供初始条件和验证参数。 实验设置 如下图，在一个大气压下，3mm间距的针-针放电中，施加35kV、上升沿5ns、脉宽25ns、频率10Hz的电压。由于放电间距极小且电压极大，放电将会经历（I）流注击穿过程和（II）火花放电过程，极高的能量沉积（~10eV/mol）会带来反应机理和放电特性的极大变化。
电压电流特性 电压电流测量结果如下图所示。左图为流注阶段，包含了电压脉冲、电流升高和极强的能量沉积过程；右图为火花放电阶段，有典型的电弧早期特性——大电流、无电压。
光谱特性 光谱诊断结果如下图所示。大气压流注放电阶段，N2(C-B)谱线最为明显，且大气压下N2(C)分子的转动温度可以表征气体温度，因而左图研究了N2(C-B)的转动光谱谱线特征。火花放电阶段，由于电子密度极大，电子碰撞主导使Stark展宽下的N+谱线（右图）最为明显。
上图左、右对比，最鲜明的特征，是流注放电阶段分子振动态谱线非常明显（表现为不连续光谱），而火花放电阶段已经没有振动谱线（表现为光谱连续）——这说明，在本实验中的火花阶段，分子已被大量离解为原子了（原子没有振动态）。 流注阶段-气体温度 将N2(C-B)光谱整理为一维数据，并利用经典的光谱学知识计算理论谱线，通过改变计算模型输入的振动、转动温度，当计算谱线与实验谱线达到最大程度的拟合时（如下图），输入的转动温度即可视为气体温度（12ns，放电间隙中间位置，气体温度为800K）。
使用同样的原理，可以得到不同时刻、不同位置流注放电阶段的气体温度如下图所示，放电核心去气体温度可达1200K。
火花阶段-电子密度 与测算气体温度的方法类似，测量电子密度的方法，是对比实验谱线，并与不同电子密度下N+理论计算谱线对比得到，如下图所示：
在放电轴心处，理论计算的电子密度高达8e17 cm-3，计算谱线与实验谱线完美拟合。通过诊断不同时间、位置的N+发射光谱，即可得到电子密度的时空分布。 火花阶段-电子温度（气体温度） 火花放电阶段，等离子体可以被认为处于局域热平衡状态，电子温度、离子温度、气体温度近似相等，因而电子温度通过计算离子温度来表征。采用N+发射光谱的四个（三个也可以）波峰强度：
在玻尔兹曼图（下图）中标出四个波峰对应的计算结果（公式见Y坐标），并计算斜率，即可得到电子温度。
通过诊断不同时间、位置的N+发射光谱，即可得到电子温度的时空分布如下图：
由图可见，火花阶段电子温度在3~4eV左右，峰值出现在轴线附近。 至此，完成了纳秒流注-火花放电转换诊断实验的研究。这些研究结果，为理论分析、数值模拟提供了重要的参数：
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