應用方向：等離子體物理、放電演化、光譜測量、電場診斷

等離子體作為物質的第四態，其產生和演化過程往往發生在極短的時間尺度內，包含了豐富的物理和化學現象。精確捕捉和診斷等離子體的瞬態動力學行為，對于基礎物理研究和工業應用（如材料處理、環境工程、薄膜沉積等）都至關重要。

近日，重慶大學電氣工程學院等離子體先進診斷與應用團隊利用超快診斷技術，對大氣壓下針-針放電過程進行了高時空分辨成像研究，揭示了不同實驗參數下等離子體的形態演化規律。同時對氦氣放電等離子體內部電場的分布進行了一維空間分布測量。

超快成像：捕捉放電的宏觀演化

團隊系統地研究了放電電流、氣體流量和電極間距對放電等離子體形態和發光特性的影響。在圖1的系列圖像中，拍攝相機的門寬統一設置為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。可見等離子體發光強度顯著增強，核心區域更亮、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。氣流對陽極和陰極區的等離子體形態影響明顯，尤其是在陽極附近，隨著流速增加，等離子體直徑更窄，這種現象可以歸因于增強的對流冷卻效應。較高的氣體流量能夠更有效地帶走放電通道邊緣的熱量，抑制其徑向擴展，從而導致放電通道的收縮。

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，放電形態從較為彌散的狀態，逐漸演化為向陽極和陰極集中的兩個獨立輝光區域，揭示了電場分布對放電模式的關鍵調控作用。

圖1： 不同參數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。

為了進一步探究大氣壓空氣長脈寬放電情況下的演化過程，我們利用不同的相機門寬捕捉了脈沖放電的發展。

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

光譜診斷：從微觀粒子獲得電場分布

雖然宏觀放電圖像直觀地揭示了等離子體的整體形態，但要洞悉其內在的物理特性和機制，則必須對電場強度等關鍵參數進行精確測量。為此，團隊采用了一種高精度的光譜診斷技術——基于氦原子斯塔克效應（Stark Effect）的方法，對純氦氣放電等離子體內部的空間電場分布進行了測量。

該方法的物理基礎在于，外加電場能夠引起中性氦原子（He I）近簡并的43D和43F能級發生量子力學混合，從而打破偶極躍遷的選擇定則。其直接的光譜效應是在允許躍遷（43D → 23P）譜線旁，誘導產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間隔與電場強度存在明確的、近乎線性的依賴關系，因此通過高光譜分辨測量可精確確定此波長差，實現對等離子體中局部電場的非侵入式和空間分辨的在線測量。

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。圖中橫坐標代表波長，縱坐標代表放電的軸向空間位置。這種一維空間分辨光譜技術的強大之處在于，能在單次測量中同時獲得放電通道軸線上不同位置的光譜信息。通過對每一行光譜數據進行擬合分析，即可精確得到電場強度的空間分布，為深入理解放電物理機制提供了關鍵數據。

核心技術與配置

文中所展示的等離子體瞬態演化圖像和空間分辨光譜，均采用卓立漢光IsCMOS科學級像增強型相機完成。該相機不僅可以作為高性能的超快門控相機獨立使用，還可以與卓立漢光系列光譜儀無縫聯用，組成強大的高時空分辨光譜診斷系統。

核心優勢：

超高時間分辨率： 最小門寬時間可達納秒量級，能夠捕捉到等離子體放電的瞬態演化過程。

強大的動態成像能力： 支持kinetic模式，可以方便進行時間分辨測量，完*記錄放電動態過程。

高靈敏度： 采用高效超快像增強器，通過先進的光纖面板耦合技術與量子效率>95%的科研級制冷sCMOS相機結合，實現了超低噪聲下的單光子級探測能力，無論是微弱的輝光還是瞬逝的光譜信號都能清晰捕捉。

重慶大學熊青教授課題組簡介

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

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