實驗名稱：輝光放電特征及風速測量原理

　　研究方向：輝光放電

　　測試設備：信號發生器、ATA-8202射頻功率放大器，熱成像儀、萬用表、等離子體傳感器

　　實驗過程：

在等離子體形成條件和流場響應機制的基礎上，可以明確影響放電穩定性和等離子體風速測試技術性能的主要參數包括：激励装置的电参数、电极间距、电极宽度、电极材料、气体的成分及其热力学参数。以上任一个参数的研究，需保证实验中对它的可控性和可测量性。因此，首先需要完成对輝光放電系统和流场实验装置的搭建。电晕放电过渡到輝光放電，需要电源在电极两端加载约1kV的有效电压，而这一击穿电压，极易使辉光向火花放电转变，并烧毁电极。因此，电路中需添加保护电阻以控制电流在一定的范围内。从研究中可知，放电电流达到10mA左右，正常輝光放電开始向反常輝光放電转变。为保证放电模式维持在正常輝光放電阶段，研究中选用100kΩ电阻串接到放电电路以限制电流的变化。

　　圖2.7爲測試系統連接示意圖，放電電壓的監測是通過衰減比1000：1的高壓探針連接至示波器，記錄放電波形和數據，並最終回傳至電腦存儲。電流的監測是通過測量1kΩ標准電阻兩端電壓，經過計算獲得。在放電實驗中，分別使用高壓直流電源和射頻電源。其中，高壓直流電是由輸出較小的信號發生器電壓經功率放大器放大後得到。

　　圖：测试系统连接示意图

　　为保证輝光放電和后端电路的阻抗匹配以及调制功率下的高压输出，电源输出端先连接至阻抗匹配器，再经由自行设计的高频变压器进行放大。

　　信號測試端分別使用示波器和多功能萬用表。熱成像儀主要用于拍攝和記錄放電時的等離子體分布和對應電流下的電極溫度，保證放電操作在合適的電流下以免損壞電極。

　　爲了探尋各變量對放電和等離子體風速測量技術的影響，需進行單一變量控制實驗，所搭建的實驗台需能夠實現電極間距的調整、對准、快速更換和流速測試等操作，其設計和實物如圖2.8所示，主要包括标准风速计、三维移动平台微型夹具、工业相机和气流源。所使用的标准气动探针是两款量程不一样的皮托管，不确定度均为1%，测量流速范围分别为0~120m/s和0300m/s，固定在放电电极的上方，与輝光放電产生的等离子体同时感受来流速度。三维移动平台的控制精度为10um，搭载的微型夹具可夹持200um以上的电极丝，在工业相机的辅助下，完成电极间距的调整和同轴对准。所示流场出口是直径为20mm的不锈钢管，其另一端经由管道连接至气流源。实验分别使用大功率鼓风机和高压气源作为流场发生装置，由功率调节器或精密调压阀进行流速大小的控制。

　　圖：輝光放電流场测试平台

　　直流輝光放電的从阴极到阳极可以划分为：阿斯頓暗區、陰極光層、陰極暗區、負輝區、法拉第暗區、正柱區、陽極區，如圖2.9所示，放电稳定后，间隙内存在明显的分层光区，但随着间隙的减�。�正柱区和法拉第暗区消失，放电只观察到耀眼的光斑。与长间隙低压放电所得到的结果不同，空气中短间隙下輝光放電产生的等离子体更为集中。从阴极开始，最貼近電極表面位置爲阿斯頓暗區該區域電子的能量還不足以引起激發電離，因此不存在輻射發光。進入到陰極光層，電子能量已達到電離所需的激發能，在放電過程中可觀察到靠近電極表面的微弱光層。在陰極暗區，只有部分電子還能與分子發生碰撞電離反應，因此光強有所減弱。進入到負輝區後，電勢基本不發生變化，因此該區域電子和離子速度最�。瑏K形成高密度電荷區，電子和離子複合最爲頻繁，慢電子與氣體分子發生激發碰撞的概率加大，所以發光增強，在短間隙內形成最高亮度。陽極區附近，電子受電場加速，與分子發生碰撞激發，並發出弱光。

　　圖：直流輝光放電

　　当间隙内形成稳定的直流輝光放電，电路内产生了具有一定周期的震荡，由示波器记录的阳极电位输出波形和频谱如图2.10所示。因爲離子遷移速度小于電子的遷移速度，造成陰極位降區(陰極和負輝區之間的區域)內的離子密度大于電子密度，陰極附近正電荷的累積會削弱原來直流電作用下陽極到陰極的電場強度，使得碰撞電離反應速率降低，因此間隙內電荷數量減少，陽極電位增大。當陰極位降區內離子的補充速度小于離子到達陰極後被中和的速度，空間內正離子數量開始減少，對電場的削弱能力有所降低，電子繁流反應速率得到恢複，增加了間隙內的電荷數量，因此電路電流有所增大，陽極的電勢將有所降低。電離得到的正電荷將再次補充到陰極位降區形成電荷累積，並重複上述過程。實驗檢測到該過程存在一定的重複周期，震蕩頻率約爲23kHz。

　　圖：直流輝光放電阳极电势

　　圖：直流輝光放電仿真结果

　　交流輝光放電过程相对直流放电更为复杂，放电不断经历着熄灭、维持和再击穿的过程。交流輝光放電图像及电压、电流的波形如图2.12所示，放電區間被分爲兩個部分：鞘層和等離子體區。

　　圖：交流輝光放電

　　实验中先将生成的正弦调制信号输入信号放大器，和直流輝光放電相仿，由于电子的迁移速度远大于离子，所以每一种物质的通量是不相等的，时均电荷分布主要集中于等离子体区，电极相对等离子体区带负电位，这一段电场强度大、电荷密度小的空间区域被称为鞘层。因为交流电作用下电位处于浮动变化，所以等离子体区在间隙内来回震荡。

　　爲進一步分析交流電驅動下放電特征，將上述仿真模型電源參數改爲後續實驗變壓器工作頻率140kHz，电压幅值使放电的有效电为15mAms得到交流輝光放電物理参数的变化如图2.13所。放电电压和电流的波形与实验测到的结果大致相当，在每个周期0.15T位置电压出现峰值，电流开始增大，此时间隙内的气体将被击穿并形成放电：到0.47T位置，电荷密度快速下降，辉光熄灭，直到下半个周期重新击穿。交流輝光放電过程间隙内电荷密度变化范围为10°~102m，产生的电荷在阳极和阴极附近交聚集，两个电极轮流承受电荷轰击，所以它们的表面都会受到侵蚀。

圖：交流輝光放電仿真结果

　　因爲交流電場中離子到達電極表面的平均速度只有4000m/s，是直流放电的四分之一，所以对电极的溅射损伤弱于直流放电。从轴线上电荷速度的分布特点可知，交流輝光放電在流场作用下，等离子体区内的慢速离子先发生逃逸，因为慢速离子密度大，所以輝光放電对流速表现出的灵敏度也相对较大。随着流场速度的增大，离子逃逸现象发展到鞘层，而这部分电荷密度相对较�。�因此表现出的灵敏度应也有所降低。

　　交流輝光放電空间内离子平均迁移速度约为10m/s，穿过80um间隙所需的时间约10%s。根据分析，輝光放電离子的迁移速度决定了交流輝光放電允许加载的最高频率，因此基于该原理风速测量技术的频响上限可达到15MHz，完全满足压气机对非稳态流场的测试。

　　爲了進一步證實上述仿真分析所得出的結論，實驗選用直徑爲250um的不锈钢材料作为电极，调整电极间距为80um，使用热成像仪摄获取不同电流下的电极温度，结果如图2.14所示。开始时，电极表面温度大致相当，但随着电流的提高，两种放电类型电极温度的差异逐渐增大。其中，直流輝光放電在阴极产生明显的红热，而阳极并未受到明显的影响；交流輝光放電两电极形成对称烧蚀，电极温度略低于直流輝光放電。当电流为1.5mAms时，直流放电引起的温升比交流放电引起的温升高出近50°C。可见，交流輝光放電对电极的侵蚀能力确实在一定程度上比直流輝光放電弱，这使得电极的使用寿命相对较长。

圖：直流輝光放電与交流輝光放電对比

　　實驗結果：

　　上述兩種放電模式下的電流變化量隨流速增大均逐漸趨于平緩，這與仿真的預期的結果一致，可见輝光放電对电极产生的烧蚀、溅射以及对风速的响应规律灵敏度与间隙内离子速度和电荷密度的分布有密切关系。直流放电虽伴随强烈的非对称烧蚀和较低的频响，但较小的放电电流下即可实现较大的量程，因此在稳定的高速流场中更具有应用潜力。改用交流电源驱动，相同的放电电流下虽然量程较小，但载波频率的可调控性使其频响上限远高于直流放电，并且输出波动较�。�放电更具有稳定性，因此交流輝光放電更适合于频响要求较高的非稳态测试。

　　安泰ATA-8202射頻功率放大器（工作頻率100kHz~20MHz，額定輸出功率100W）：

　　圖：ATA-8202射頻功率放大器

　　本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。西安安泰電子是專業從事功率放大器、高壓放大器、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測量儀器研發、生産和銷售的高科技企業。公司致力于功率放大器、功率信號源、计量校准源等产品为核心的相关行业测试完美真人投注的研究，为用户提供具有竞争力的测试方案，Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线，且具有相当规模的仪器设备供应商，样机都支持免費試用。如想了解更多功率放大器等产品，请持续关注安泰电子官网www.aigtek.com或拨打029-88865020。