本期速读一篇EFISH实验与数值计算电离波直接对比过程的有趣论文。
E-FISH技术是新近一种非侵入式瞬时点电场测量技术，尽管目前仍存在一些缺陷和问题，其简易、快速的优势依然得到了各研究团队的青睐。电离波是中高气压气体放电等离子体的常见形态。本期速读一篇EFISH实验与数值计算电离波直接对比过程的有趣论文： [1] Yifei Zhu, Xiancong Chen, Yun Wu et al. (2021) Simulation of the ionization wave discharges: a direct comparison between the fluid model and E--FISH measurements, Plasma Sources Science and Technology. doi:10.1088/1361-6595/ac0714 研究对象：大气压过电压脉冲放电 电离波是一种放电形态的通称，表征流注头部传播的过程。电离波广泛存在于针板、针针、介质阻挡放电、表面放电、射流放电各类过程中。诸多等离子体应用研究，本质是研究电离波与介质/材料/化学物质的相互作用，充分掌握电离波的物理特性和控制方法是开展等离子体应用研究的前提。
但是，中高气压下，电离波的发展运动往往存在时空尺度小、放电随机、重复性差的情况，导致针对电离波的诊断和数值计算难以进行、难以直接对比，如下图所示：
本文研究了一种大气压过电压脉冲放电：通过在如下图所示的16mm间隙针-板结构之间，施加上升沿仅2ns的极高电压脉冲波形，实现扩散型均匀放电：
该放电方式具有均匀、大范围、可重复的优点，非常便于开展诊断、控制和数值计算研究。 研究方法：流体模型与PASSKEy代码 数值模型的选取需要依据研究对象、研究目的，在整体模型¹、粒子模型²、流体模型和混合模型³中选取。 整体模型是一类通用且重要的研究方法，可以与其他方法联立回答涉及反应动力学、重频放电等问题⁴ 。而粒子模型、流体模型和混合模型的适用范围，事实上在往期推送中已经有所讨论⁵，基本结论如下图：
在空气下，适合流体模型（漂移扩散假设）的研究范围可以归纳为P>100pa，E/N<2000Td。为此，使用流体方法研究大气压过电压脉冲针板放电。 本节相关文章（可在本论坛直接搜索）： 2 模拟tips：浅谈Particle-in-cell/Monte Carlo Collision (PIC/MCC) 方法 3 论文速读：大气压、微尺度、射频、射流等离子计算的正确打开方式——混合模拟 5 模拟tips（四）：适合等离子体流体模型的气压-电场范围 结论一：实验-计算可复现，可基准 采用EFISH技术，以0.2ns为时间分辨率测量了距离针尖3mm位置的电场演化特性，并配合ICCD拍照捕捉流注-火花发展过程。采用公开的PASSKEy代码¹针对完全相同的几何结构、电压波形计算电场，结果如下图所示：
上图散点为EFISH测量结果，红/绿色线为基于局域场近似/局域能量近似假设²计算结果。进一步计算放电形态和电离波传播速度，如下图所示：
上图中第一行、第三行为计算结果，第二行、第四行为对应的实验结果，流体计算能够完整的计算流注-火花演化过程并与实验结果吻合良好。
上图为实验测量电离波传播距离-时间特性与计算结果对比。流体模型能够足够准确的捕捉正电离波的形态、传播和电场特性。 本节相关文章链接： 结论2：三个问题 计算的目的不仅仅是复现实验，在进行精细对比中寻找问题，是提升计算精度、改进实验手段、提高认知水平的必经之路。通过精细的对比调试出精准的模型，才能使数值计算在等离子体应用研究中切实起到指导性作用。通过精细对比，研究团队提出了三个问题： （1）伪放电问题：在低电压（20kV）下，实验中未发现放电（拉普拉斯电场、无发光），但是计算会出现显著的流注发展情形（电场陡升、流注形成并传播）：
如上图所示，实验测量电场为单纯的拉普拉斯电场，而计算所得电场显著高于实验值，表明实验中未发生放电，而计算得到了伪电离波。其原因在于放电种子电子的产生机制和实际分布规律，原文已经给出了分析解答，留给读者去寻找答案。但是从这个问题出发，引出了另外一个作者尚无法回答的问题： Raether-Meek定律是否有明确的适用范围？为什么Meek定律无法在本例的超短纳秒脉冲放电中准确预测是否会产生放电？ （2）预放电问题：在针板放电构型中，电离波电场在到达峰值前，实验（下图蓝色线）发现在0-2ns时间段，电场要显著高于计算电场（下图红色线）。原因不明，且并非发生在所有的放电情形中。
针对这一问题，实验团队表示近期发现，EFISH技术本身存在问题：采用聚焦激光束方式产生信号进行测量，或者过于简单的信号校准方式，可能会引起测量结果出现显著缺陷。具体可参考： [1] Chng, T. L., Starikovskaia, S. M. & Schanne-Klein, M.-C. Electric field measurements in plasmas: how focusing strongly distorts the E-FISH signal. Plasma Sources Sci. Technol. 29, 125002 (2020). [2] Lepikhin, N. D., Luggenhölscher, D. & Czarnetzki, U. Electric field measurements in a He:N2 nanosecond pulsed discharge with sub-ns time resolution. J. Phys. D. Appl. Phys. 54, 055201 (2021). 从某种角度说，在这里，计算参与了对实验的反校准。但是，究竟是怎样的不精准，会造成本节所述的预放电问题，其逻辑链条依然有待揭示。 （3）“裙边”问题：下图(a)为ICCD测量结果，(b)为采用简化的极细电极计算结果。(e-g)为采用不同形状的类实验电极计算得到的结果，此处发现当电极具有一定直径或转折点时，计算会得到的显著的裙边放电，这与实验观测不同。
在后期与西安交大电气团队交流沟通中，发现：当电极附近存在预电离区域时，可以百分之百复现裙边放电；而单纯采用纳秒脉冲放电，则无法观测到裙边放电，如上图(c-d)所示——这说明：种子电子对电极附近放电形貌有重要影响。 *** 工坊君阅读体会*** 流体模型是研究中高气压等离子体源的一个有效的工具。本文没有注重强调实验与数值计算如何吻合，而是试图在对比中回答：为什么不吻合，进而发现有意义的科学问题和答案。对种子电子的分析，让我们发现，种子电子的意义，并不仅仅限于光电离的替代与简化，而可能影响首次放电会否发生以及放电形貌——那么在计算中，我们如何准确的描述随机存在的种子电子，从而准确预测击穿时刻呢？
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