实验vs模拟：奇妙的高气压nSDBD均匀-丝状放电转捩

本期与大家分享一例一直困扰工坊的问题：高气压nSDBD均匀-丝状放电转捩现象。

研究对象：表面介质阻挡放电SDBD

将两块电极错开沿线排布并用绝缘介质层隔开，并在电极间形成电势差引起局部放电，就形成了典型的表面介质阻挡放电(Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD)。如下图，绿色/黄色部分为绝缘介质，橘色部分为高压电极，灰色部分为接地电极。

经由在高压电极上施加不同脉宽、幅值和频率的电压信号，SDBD将会呈现不同的特性，而气压的变化也会引起放电特性质的变化。

SDBD放电特性：从电流说起

大气压下，若在高压极施加下图左所示的正弦电压信号（微秒时间尺度），那么在一个电压周期内，将会出现多次、不规律、沿电极边缘不规则分布的随机放电，如果使用纳秒（放电流注传播时间尺度）精度ICCD相机拍摄放电图像，将会得到散乱的放电丝——表现在电流信号上，就是下图左中充满毛刺的电流图像，一定程度上可以认为一个毛刺就代表一个放电丝；

如果在高压极施加快速上升的脉冲电压信号（纳秒时间尺度），电场升高的速度大于流注形成、传播的速度，将会出现单次、沿电极边缘均匀分布、几乎同时发展的放电丝——表现在电流信号上，就是上图右中光滑的电流图像。

纳秒脉冲SDBD(nSDBD)这种同时、均匀放电特性，大大减少了放电随机性，便于实验诊断；其高电场、快速加热的独特性质，又具有不错的应用前景，因而得到了广泛的关注。

nSDBD放电形态：气压与均匀性

气体放电均匀性与气压的关系众所周知。低气压下中性粒子密度较低，粒子间碰撞熄灭不频繁，放电呈现均匀/大面积的特性。而随着气压升高，则逐渐表现为多个放电丝多位置随机放电，如下图所示。

而nSDBD克服了大气压下放电不均匀不同时的问题，使得在首次/单次脉冲电压下，放电丝就能够沿着整个电极边缘同时均匀传播，如下图所示（ICCD曝光时间50ns）。

故事到这里原本就该结束了，按照同样的原理（电场快速上升引起大量放电丝同时出现传播）推测，随着气压继续升高，nSDBD应当继续保持这种均匀/同时放电的特性，但是——

高气压nSDBD：新世界

事情显然没有那么简单。一次偶然的高气压、高电压nSDBD实验发现了一个奇怪的现象——高气压丝状放电。下图为使用曝光时间0.5ns的ICCD拍摄的放电图像。在-26kV电压、大气压下，nSDBD呈现下图左侧的均匀放电；在两倍电压、三倍气压下，放电形态发生了剧烈变化，如下图右侧所示。

更为奇怪的是，这里的“丝状”不再是指前文中微小的放电丝，而是一串有规律排布的，性质奇特的丝。目前的研究发现：

（1）放电丝亮度极大，电子密度极高（10^24 m-3量级），几乎是平衡等离子体了——但是这却不是火花和电弧放电，因为气体温度并不高；

（2）放电丝形成位置固定，但是这种自组织现象似乎并非由自激磁场引起——要形成这样尺寸的放电丝，需要有极大的电流密度（10^4 A/cm2）聚焦在一个小点上，而实验测量电流与传统nSDBD电流相比仅仅有一个阶跃，没有数量级的差别；

（3）逃逸电子理论似乎难以解释丝状放电随气体组分和电压极性的关系。

上图为20ns曝光时间下，各种组分、电压和气压条件下的nSDBD放电形态——高气压下，均匀放电-丝状放电转捩是一种普通存在的现象。

遗憾的是，这一系列奇妙的现象，无论是从实验角度还是从模型角度，至今都还没有得到圆满的解释。团队曾使用PASSKEy精确计算了大气压下nSDBD放电形态、传播规律等各项特性（论文速读：一例表面介质阻挡放电的实验+模拟基准），并推广至高气压进行测试，结果不出所料：

如上图所示，在经典的模型框架下，高气压放电将简单的呈现流注更短、更小、更慢的特点。对高气压nSDBD均匀-丝状放电转捩的数值解释，还需要建立在丰富的实验结果和对其物理性质更深层次认识的基础上。

这是一个极为有趣的现象，工坊正在努力与实验团队共同向这一难题进发。问题的解决需要集思广益，工坊期待小伙伴们根据自身研究领域的经验，提出自己的猜想和见解——讨论交流才能出真知。

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