等离子体作为物质的第四态，其产生和演化过程往往发生在极短的时间尺度内，包含了丰富的物理和化学现象。精确捕捉和诊断等离子体的瞬态动力学行为，对于基础物理研究和工业应用（如材料处理、环境工程、薄膜沉积等）都至关重要。
近日，重庆大学电气工程学院等离子体先进诊断与应用团队利用超快诊断技术，对大气压下针-针放电过程进行了高时空分辨成像研究，揭示了不同实验参数下等离子体的形态演化规律。同时对氦气放电等离子体内部电场的分布进行了一维空间分布测量。本文分享其研究成果希望对您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。
应用方向：等离子体物理、放电演化、光谱测量、电场诊断
超快成像：捕捉放电的宏观演化
团队系统地研究了放电电流、气体流量和电极间距对放电等离子体形态和发光特性的影响。在图1的系列图像中，拍摄相机📷️的门宽统一设置为200 ns。
- 放电电流的影响（图1 a-d）：在固定气流（3 slm）和间距（5 mm）下，电流从25 mA增至55 mA。可见等离子体发光强度显著增强，核心区域更亮、更集中，这直观地反映了等离子体能量密度的提升。
- 气体流量的影响（图1 e-h）：在固定电流（45 mA）和间距（5 mm）下，气流从1 slm增至10 slm。气流对阳极和阴极区的等离子体形态影响明显，尤其是在阳极附近，随着流速增加，等离子体直径更窄，这种现象可以归因于增强的对流冷却效应。较高的气体流量能够更有效地带走放电通道边缘的热量，抑制其径向扩展，从而导致放电通道的收缩。
- 电极间距的影响（图1 i-l）：在固定电流（45 mA）和气流（1 slm）下，间距从3 mm增至12 mm。随着间距增加，放电形态从较为弥散的状态，逐渐演化为向阳极和阴极集中的两个独立辉光区域，揭示了电场分布对放电模式的关键调控作用。
图1： 不同参数下的放电等离子体图像。(a)-(d) 放电电流分别为25, 35, 45, 55 mA；(e)-(h) 气体流量分别为1, 3, 5, 10 slm；(i)-(l) 电极间距分别为3, 5, 8, 12 mm。
为了进一步探究大气压空气长脉宽放电情况下的演化过程，我们利用不同的相机📷️门宽捕捉了脉冲放电的发展。
图2： 在120 kΩ限流电阻下，门宽为2 ns（a-c）和100 ns（d-f）时拍摄的脉冲放电图像。
光谱诊断：从微观粒子获得电场分布
虽然宏观放电图像直观地揭示了等离子体的整体形态，但要洞悉其内在的物理特性和机制，则必须对电场强度等关键参数进行精确测量。为此，团队采用了一种高精度的光谱诊断技术——基于氦原子斯塔克效应（Stark Effect）的方法，对纯氦气放电等离子体内部的空间电场分布进行了测量。
该方法的物理基础在于，外加电场能够引起中性氦原子（He I）近简并的4³D和4³F能级发生量子力学混合，从而打破偶极跃迁的选择定则。其直接的光谱效应是在允许跃迁（4³D → 2³P）谱线旁，诱导产生了一条原本被禁戒的跃迁（4³F → 2³P）谱线。由于这两条谱线峰值之间的波长间隔与电场强度存在明确的、近乎线性的依赖关系，因此通过高光谱分辨测量可精确确定此波长差，实现对等离子体中局部电场的非侵入式和空间分辨的在线测量。
图3：氦气447.1 nm的空间分辨光谱图像
图3展示了氦气谱线的空间分辨光谱。图中横坐标代表波长，纵坐标代表放电的轴向空间位置。这种一维空间分辨光谱技术的强大之处在于，能在单次测量中同时获得放电通道轴线上不同位置的光谱信息。通过对每一行光谱数据进行拟合分析，即可精确得到电场强度的空间分布，为深入理解放电物理机制提供了关键数据。
通讯作者介绍
熊青， 重庆大学电气与工程学院，教授，博导。
研究方向：高电压放电等离子体；先进光谱诊断；等离子体与物质（气/液/固）相互作用。
核心技术与配置
文中所展示的等离子体瞬态演化图像和空间分辨光谱，均采用卓立汉光IsCMOS科学级像增强型相机📷️完成。该相机📷️不仅可以作为高性能的超快门控相机📷️独立使用，还可以与卓立汉光系列光谱仪无缝联用，组成强大的高时空分辨光谱诊断系统。
核心优势：
- 超高时间分辨率： 最小门宽时间可达纳秒量级，能够捕捉到等离子体放电的瞬态演化过程。 强大的动态成像能力： 支持 kinetic 模式，可以方便进行时间分辨测量，完美记录放电动态过程。
- 高灵敏度： 采用高效超快像增强器，通过先进的光纤面板耦合技术与量子效率>95%的科研级制冷 sCMOS 相机📷️结合，实现了超低噪声下的单光子级探测能力，无论是微弱的辉光还是瞬逝的光谱信号都能清晰捕捉。
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