大氣壓低溫等離子體技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注，其擺脫了真空工作環(huán)境的限制，有利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。低溫等離子體中的高能電子、自由基等活性粒子具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，能夠使苛刻條件下的反應(yīng)在常壓低溫下進(jìn)行。尤其是大氣壓等離子體射流在開放區(qū)域中產(chǎn)生等離子體，使被處理物不再受放電空間的限制，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料改性和能源化工等多個(gè)領(lǐng)域。

大氣壓低溫等離子體射流的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、射流放電機(jī)理是目前研究重點(diǎn)。激勵(lì)源種類、放電參數(shù)、電極結(jié)構(gòu)以及工作氣體種類等都將影響等離子體射流放電特性。對(duì)相同射流結(jié)構(gòu)，脈沖源激勵(lì)產(chǎn)生等離子體相對(duì)于交流源激勵(lì)具有更好的滅菌效率。

通常認(rèn)為是脈沖源的陡上升沿、窄脈寬等特點(diǎn)導(dǎo)致過電壓擊穿，產(chǎn)生更多的高能電子，進(jìn)一步加強(qiáng)了氣體分子的電離和激發(fā)態(tài)過程。進(jìn)一步研究表明使用亞微秒甚至納秒電源激勵(lì)能產(chǎn)生長度更長、化學(xué)活性更高的等離子體射流。

大氣壓脈沖放電等離子體射流肉眼上觀察是一段連續(xù)的羽狀放電，而實(shí)際上是由快速移動(dòng)的電離波組成的，被稱為等離子體子彈。隨著高速相機(jī)（Intensified Charge Coupled Device, ICCD）技術(shù)的發(fā)展，等離子體射流的不連續(xù)結(jié)構(gòu)首次由Teschke和盧新培研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)。研究不同脈沖波形的等離子體射流子彈的傳播特性有助于從微觀上理解等離子體射流演化過程。吳淑群等發(fā)現(xiàn)，在脈沖上升沿為50ns以上時(shí)，脈沖上升沿與等離子體子彈傳播速度、距離成反比。劉定新等研究表明不同脈寬條件下，射流傳播特性與介質(zhì)管壁積聚的正電荷量有關(guān)。

多數(shù)文獻(xiàn)是在較長脈寬下，討論脈沖波形變化對(duì)等離子體子彈傳播特性的影響。對(duì)窄脈寬、陡上升沿以及陡脈沖下降沿條件下的等離子體子彈參數(shù)研究較為匱乏。本文通過ICCD相機(jī)和光譜儀研究脈沖上升沿、下降沿和脈沖寬度對(duì)等離子體射流長度以及等離子體子彈時(shí)空演變過程的影響，并通過計(jì)算高能級(jí)氦激發(fā)態(tài)粒子強(qiáng)度比值來表征約化電場，分析了不同脈沖參數(shù)下約化電場對(duì)等離子體子彈傳播的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

總結(jié)

本文研究脈沖波形對(duì)大氣壓He等離子體射流上升沿子彈的影響，并采用He譜線比值計(jì)算不同條件下的宏觀電場強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

• 1）由于過電壓擊穿，脈沖上升沿越短，形成的子彈半徑越大，但由于在傳播過程中難以自維持E/δ，子彈消散更快。
• 2）脈沖寬度通過對(duì)殘余電荷的積累和下降沿放電的影響進(jìn)而改變射流特性。進(jìn)一步研究證實(shí)，殘余電荷形成的反向電場對(duì)外加電場有不同程度的削弱作用。當(dāng)殘余電荷累積飽和后，外加電場趨于 平穩(wěn)。
• 3）在窄脈沖參數(shù)下，脈沖下降沿通過殘余電荷形成的反向電場影響子彈頭部的空間電場方向和強(qiáng)度，進(jìn)而影響脈沖上升沿子彈傳播。

本文的研究對(duì)大氣壓等離子體射流的脈沖參數(shù)選擇具有一定的參考。