实验vs模拟:高气压nSDBD中瞬态电子温度测量

实验模拟对照 发布于 2023-9-11 01:00

本期推送将上周的话题继续深入,给大家分享工坊成员最近一轮关于高气压nSDBD中瞬态电子温度测量实验的进展。

上周工坊君介绍了高气压nSDBD中普遍存在的均匀-丝状放电转捩现象,由于该现象尚无完整合理的解释,引起了一些粉丝的兴趣与讨论。本期推送将上周的话题继续深入,给大家分享工坊成员最近一轮关于高气压nSDBD中瞬态电子温度测量实验的进展。


实验目的

高气压nSDBD中,电子密度极高,气体分子电离与解离强烈,进入了局部热力学平衡(LTE),产生大量N原子,发射光谱中原子谱线十分明显。在纯N2中,通过测量特定波段原子谱线(N II)并与模型预测值对照可以比较精细的测定放电过程中的电子温度。


实验设置

实验件设置与上期推送一致,气压6.8 bar,脉冲电压上升沿2ns,脉宽20ns,下降沿2ns,幅值24kV,通过ICCD(曝光时间5ns)与光谱仪采集单个放电丝中485-605nm波段的N+光谱图像。



上图时间轴为测量光谱的各个时间节点。100ns时刻,nSDBD以正常的流注模式放电,至105ns时刻,放电由流注转捩为丝状,在接下来的30ns内,以5ns为一个测量段,采集发射光谱谱线。


模型预测

由于不需要应对复杂的振动态、转动态分级,通过理论计算获得原子发射光谱相对容易很多。基本原理是假设玻尔兹曼分布的情况下,利用下式:

计算粒子数和相对谱线强度。上式中A, g和E分别为自发辐射的爱因斯坦系数,简并度和能级,均可从NIST数据库中直接得到。


实验结果

丝状放电开始时刻的测量谱线和模型预测谱线吻合极好,验证了高气压nSDBD中丝状放电局域热平衡的本质,测量电子温度为3.5 eV。

全部6个时间段NI原子谱线测量与预测值如下图所示,在放电结束段,可见噪声已经比较明显,仅能捕捉到两个比较明显的峰。

将测量的全部6组电子温度与放电电流共享时间轴坐标绘制在一起,就可以得到如下结果:

上图中,黑线为丝状放电情况下放电电流,天蓝色虚线为流注放电模式下放电电流,蓝色点线图为瞬态电子温度测量结果。可以看到,丝状放电并不是放电后立即出现而是由流注发展而来;电子温度在几十ns时间尺度内减小达20000K。

测量电子温度、电子密度,是探索流注-丝状放电转捩物理本质的一小步。通过追踪瞬态电子温度变化,结合数值模拟,为进一步展开研究铺设了道路。该实验结果的具体讨论,将在今年7月格拉斯哥召开的第24届欧洲气体放电会议(ESCAMPIG)呈现,欢迎关注,欢迎探讨。


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