應(yīng)用方向：等離子體物理、放電演化、光譜測(cè)量、電場(chǎng)診斷

等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，其產(chǎn)生和演化過(guò)程往往發(fā)生在極短的時(shí)間尺度內(nèi)，包含了豐富的物理和化學(xué)現(xiàn)象。精確捕捉和診斷等離子體的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)于基礎(chǔ)物理研究和工業(yè)應(yīng)用（如材料處理、環(huán)境工程、薄膜沉積等）都至關(guān)重要。

近日，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院等離子體先進(jìn)診斷與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)利用超快診斷技術(shù)，對(duì)大氣壓下針-針?lè)烹娺^(guò)程進(jìn)行了高時(shí)空分辨成像研究，揭示了不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下等離子體的形態(tài)演化規(guī)律。同時(shí)對(duì)氦氣放電等離子體內(nèi)部電場(chǎng)的分布進(jìn)行了一維空間分布測(cè)量。

超快成像：捕捉放電的宏觀演化

團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了放電電流、氣體流量和電極間距對(duì)放電等離子體形態(tài)和發(fā)光特性的影響。在圖1的系列圖像中，拍攝相機(jī)的門寬統(tǒng)一設(shè)置為200 ns。

放電電流的影響（圖1 a-d）：在固定氣流（3 slm）和間距（5 mm）下，電流從25 mA增至55 mA。可見(jiàn)等離子體發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，核心區(qū)域更亮、更集中，這直觀地反映了等離子體能量密度的提升。

氣體流量的影響（圖1 e-h）：在固定電流（45 mA）和間距（5 mm）下，氣流從1 slm增至10 slm。氣流對(duì)陽(yáng)極和陰極區(qū)的等離子體形態(tài)影響明顯，尤其是在陽(yáng)極附近，隨著流速增加，等離子體直徑更窄，這種現(xiàn)象可以歸因于增強(qiáng)的對(duì)流冷卻效應(yīng)。較高的氣體流量能夠更有效地帶走放電通道邊緣的熱量，抑制其徑向擴(kuò)展，從而導(dǎo)致放電通道的收縮。

電極間距的影響（圖1 i-l）：在固定電流（45 mA）和氣流（1 slm）下，間距從3 mm增至12 mm。隨著間距增加，放電形態(tài)從較為彌散的狀態(tài)，逐漸演化為向陽(yáng)極和陰極集中的兩個(gè)獨(dú)立輝光區(qū)域，揭示了電場(chǎng)分布對(duì)放電模式的關(guān)鍵調(diào)控作用。

圖1： 不同參數(shù)下的放電等離子體圖像。(a)-(d) 放電電流分別為25, 35, 45, 55 mA；(e)-(h) 氣體流量分別為1, 3, 5, 10 slm；(i)-(l) 電極間距分別為3, 5, 8, 12 mm。

為了進(jìn)一步探究大氣壓空氣長(zhǎng)脈寬放電情況下的演化過(guò)程，我們利用不同的相機(jī)門寬捕捉了脈沖放電的發(fā)展。

圖2： 在120 kΩ限流電阻下，門寬為2 ns（a-c）和100 ns（d-f）時(shí)拍攝的脈沖放電圖像。

光譜診斷：從微觀粒子獲得電場(chǎng)分布

雖然宏觀放電圖像直觀地揭示了等離子體的整體形態(tài)，但要洞悉其內(nèi)在的物理特性和機(jī)制，則必須對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。為此，團(tuán)隊(duì)采用了一種高精度的光譜診斷技術(shù)——基于氦原子斯塔克效應(yīng)（Stark Effect）的方法，對(duì)純氦氣放電等離子體內(nèi)部的空間電場(chǎng)分布進(jìn)行了測(cè)量。

該方法的物理基礎(chǔ)在于，外加電場(chǎng)能夠引起中性氦原子（He I）近簡(jiǎn)并的43D和43F能級(jí)發(fā)生量子力學(xué)混合，從而打破偶極躍遷的選擇定則。其直接的光譜效應(yīng)是在允許躍遷（43D → 23P）譜線旁，誘導(dǎo)產(chǎn)生了一條原本被禁戒的躍遷（43F → 23P）譜線。由于這兩條譜線峰值之間的波長(zhǎng)間隔與電場(chǎng)強(qiáng)度存在明確的、近乎線性的依賴關(guān)系，因此通過(guò)高光譜分辨測(cè)量可精確確定此波長(zhǎng)差，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體中局部電場(chǎng)的非侵入式和空間分辨的在線測(cè)量。

圖3：氦氣447.1 nm的空間分辨光譜圖像

圖3展示了氦氣譜線的空間分辨光譜。圖中橫坐標(biāo)代表波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)代表放電的軸向空間位置。這種一維空間分辨光譜技術(shù)的強(qiáng)大之處在于，能在單次測(cè)量中同時(shí)獲得放電通道軸線上不同位置的光譜信息。通過(guò)對(duì)每一行光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，即可精確得到電場(chǎng)強(qiáng)度的空間分布，為深入理解放電物理機(jī)制提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

核心技術(shù)與配置

文中所展示的等離子體瞬態(tài)演化圖像和空間分辨光譜，均采用卓立漢光IsCMOS科學(xué)級(jí)像增強(qiáng)型相機(jī)完成。該相機(jī)不僅可以作為高性能的超快門控相機(jī)獨(dú)立使用，還可以與卓立漢光系列光譜儀無(wú)縫聯(lián)用，組成強(qiáng)大的高時(shí)空分辨光譜診斷系統(tǒng)。

核心優(yōu)勢(shì)：

超高時(shí)間分辨率： 最小門寬時(shí)間可達(dá)納秒量級(jí)，能夠捕捉到等離子體放電的瞬態(tài)演化過(guò)程。

強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)成像能力： 支持kinetic模式，可以方便進(jìn)行時(shí)間分辨測(cè)量，完*記錄放電動(dòng)態(tài)過(guò)程。

高靈敏度： 采用高效超快像增強(qiáng)器，通過(guò)先進(jìn)的光纖面板耦合技術(shù)與量子效率>95%的科研級(jí)制冷sCMOS相機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超低噪聲下的單光子級(jí)探測(cè)能力，無(wú)論是微弱的輝光還是瞬逝的光譜信號(hào)都能清晰捕捉。

重慶大學(xué)熊青教授課題組簡(jiǎn)介

熊青， 重慶大學(xué)電氣與工程學(xué)院，教授，博導(dǎo)。研究方向：高電壓放電等離子體；先進(jìn)光譜診斷；等離子體與物質(zhì)（氣/液/固）相互作用。

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