文 | 栗頿

编辑 | 栗頿

在通过立即改变爆轰前气体状态来确定纳秒等离子体对已建立的爆轰波产生促进效应的实验中。

我们需要先了解使用的实验装置和测量技术，以此得出在不同组成和多个初始压力下获得的结果。

实验装置

图1显示了实验装置的整体概况。它由两个主要部分组成：（1）水平的爆轰管道，其中建立了Chapman-Jouguet（C-J）状态的爆轰波，和（2）垂直的测量室，用于产生纳秒等离子体放电。

图1 - 实验台的照片

爆轰管道

爆轰管道具有50x50 mm2的方形截面。它由四个8 mm厚的不锈钢板通过高压焊接组装而成。总长度为3570 mm，足够确保在进入测量室之前形成自主爆轰（CJ状态）。管道由2 m长的直段和1 m半径的90 弯曲段组成，以便与测量室连接。

这种“弯曲”配置使得测量室的安装和拆卸更加方便。弯曲半径足够小，不会影响所考虑的引爆混合物中爆轰的传播。为了在进入测量室之前验证爆轰的自主性，使用分布在引爆管壁上的压力传感器测量爆轰的传播速度。

管道的起始部位放置了一支汽车式火花塞，产生大约50 mJ的能量，引发一次速度很慢的燃烧。燃烧通过TDD机制通过“Shchelkin螺旋”加速到爆轰。

管道的长度允许从TDD产生的强爆轰在进入测量室之前向CJ状态的平衡状态过渡。

测量室

测量室是一个垂直的不锈钢密封腔，具有与爆轰管道相同的50x50 mm2的方形截面，长度为665 mm。测量室的四个面可以拆卸，从而可以进行多种配置的研究。特别要注意的是，与电极系统相对的面可以安装动态压力传感器或碳沉积板。其他两个面装有窗口，提供了一个500 mm长、50 mm宽的观察区域。

这些窗口的厚度为25 mm，由BK7材料制成。最后，PEEK（聚醚醚酮）厚度螺纹固定在接受高压系统的面上。电极插入PEEK中，使电极与测量室之间具有电气隔离。然后，放电在两个相对的面之间发展。图2展示了所研究和比较的电极几何形状的示意图。

为了观察等离子体对爆轰细胞的影响，重叠区域的大小必须远大于一个细胞的平均长度。长方形的配置是最有优势的，因为它可以在空间中的多个位置使等离子体与爆轰前缘相互作用，以满足前面提到的条件。

图2 - 实验中使用的不同电极几何形状的示意图。

图2中灰色部分表示螺纹固定在室壁的不锈钢面板，橙色表示PEEK绝缘材料，黄色表示电极：a）圆形配置，b）短方形配置，c）长方形配置。

测量技术

我们采用了多种技术来表征冲击波的动力学和室内等离子体的参数，同时使用了压力传感器、碳沉积痕迹和纳秒级 ICCD（Intensified Charge Couple Device）成像技术。在实验过程中，我们特别关注了冲击波传播（微秒级）和等离子体存在时间（纳秒级）之间的同步问题。

在实验中，我们使用具有1微秒响应时间的Kistler 603B压电传感器，它带有加速度补偿功能，可以用于记录冲击波的通过。这些传感器的测量范围为200 bar，适用于高达200 C的温度，其自然频率约为300 kHz。

每个传感器都与Kistler 5018A电荷放大器相连，该放大器具有200 kHz的带宽，将机械应变转换为电信号（0至10 V），其采集由Graphtec Hard Disk Logger GL1100模块完成，具有16个输入通道。

传感器的有效表面直径为5 mm，并安装在聚四氟乙烯支架中。聚四氟乙烯支架可以减少冲击波传播过程中在传感器处产生的微小振动。这些振动在金属管道壁上传播，其传播速度约为钢材中声速的5 km/s，与气体中冲击波传播速度（约为2 km/s）相比非常高。

传感器的活动表面覆盖有1 mm厚的硅胶层，用于保护传感器免受冲击波通过时的热冲击。图3简化地展示了沿管道布置的动态压力传感器以及一次实验中获得的信号示例。为了清晰起见，未显示位于测量室沿程的压力传感器P5、P7、P9、P11和P12。

图3 – 压力传感器在管道中的布置图。

通过压力信号，我们可以获得关于整个管道中冲击波性质的信息。在压力突然上升后，会出现高频率和振幅的振荡释放，这表明存在多细胞的冲击波在CJ（Chapman-Jouguet）状态下传播。

压力传感器沿着管道的不同位置放置，其中一个位于主直段（P1），一个位于转弯段的入口（P2），两个位于室内入口的相对位置（P2和P4）。

这种布置确保了在选择的初始条件下，爆炸引爆管道中的冲击波不会受到管道弯曲的干扰，并且在室内入口处，爆炸波以CJ自主状态传播。在每次使用等离子体进行实验之前，我们通过在研究室内通道上间隔58 mm放置八个压力传感器（P5 à P12）来测量冲击波在室内的纵向传播速度。

通过观察纵向波的突变，我们可以确定波的到达时刻。以此来计算出壁面上冲击波的平均纵向传播速度。

其中ti表示冲击波到达位置zi的时刻。通过测量位置的不确定性δz和冲击波到达该位置的时刻的不确定性δt，可以确定速度测量的不确定性δD：

考虑到传感器的响应时间（δt = 1 µs）、加工公差（δz = 0.2 mm）和波速约为2000 m/s，因此测量速度的不确定性为。

典型情况下，对平均波速的典型影响约为80 m/s，相对不确定性约为4%。在实践中，我们的研究中爆轰速度在1600 m/s至2000 m/s之间。因此，可以合理地认为速度测量的最大误差为4%。

使用碳沉积板记录

在板上进行碳沉积记录是一种经典技术，可以简单而准确地获取冲击波相互作用点的轨迹。这种方法在爆轰学中长期被用于确定气体中爆轰结构的细胞结构。

在测量室内壁上，面对电极，固定了厚度为1毫米、长度为550毫米的抛光钢板。碳沉积是通过丙酮火焰与周围空气的燃烧来实现的，从而在板上形成了一层非常薄的煤烟沉积。

碳沉积会因爆轰前沿的三点交会与板表面的相互作用而被侵蚀。它们在表面上的轨迹构成了由菱形组成的铺设结构，该结构通常被称为爆轰细胞。

细胞的宽度λ在实际中具有实际意义，因为爆轰的动力学行为与λ相关。通过沿着某个截面测量爆轰细胞的宽度可以提供关于位置z处混合物可爆性的指示（见图4）。局部爆轰细胞宽度λ(z)可以通过以下方式估计（图4）：

其中h是板的宽度，N(z)是前进方向法线与三点轨迹的交点数，在考虑的位置z处。

图4 – 测量位置z处爆轰细胞宽度的实验方法。

可视化

我们使用了一台 ICCD PI-Max2 相机（Princeton Instruments）来研究放电的空间结构和爆轰前沿的时间发展。图像在时间上进行积分（相机的开放时间在150至500纳秒之间），以捕捉两个现象的发展。

相机在波前触发压力传感器 P1 后的一段时间内由外部触发器触发。相机具有内部延迟为31纳秒。考虑到与触发相比，波前到达所需位置的延迟为数微秒，因此不需要考虑相机的内部延迟。

电压、电流和放电能量的测量

通过背向电流电阻测量技术，可以测量出高压电缆中电流的幅度和分布，因此高压电缆的一段被13个2.2欧姆的电阻取代，并排连接。通过连接一根电缆到系统电阻的两端，可以测量到回程电流，其幅度与电缆中心部分的电流相等但方向相反。通过这种测量的电流，可以计算出电压的数值。

其中 UHV(t) 和 IHV(t) 分别表示高压电缆中的电压和电流，UBCS(t) 表示在BCS两端测量的电压，ZR 是BCS中单个电阻的阻抗，N 是组成BCS的电阻数量。图5展示了背向电流电阻的典型信号示例。

图5 - 通过反向电流测量所获得的高压信号示例。

负值的高压脉冲首次穿过电缆，部分被放电吸收并通过电极反射。BCS的位置和高压电缆的长度非常重要，以便在时间上解决两个脉冲而不重叠。必须满足以下条件：

其中 L 表示BCS与电缆末端的距离，τ表示一个脉冲的持续时间，ccâble表示同轴电缆中的电磁波速度（对于聚乙烯而言为0.2 m/ns）。

通过BCS获得的数据可以计算出在放电中沉积的能量。事实上，入射脉冲的能量被引导到放电中，只有反射能量和辐射RF能量不参与放电。合理地假设剩余的能量全部被等离子体消耗。通过减去反射脉冲的能量，可以计算出脉冲 i 在等离子体中沉积的能量 Wi：

其中ti表示在脉冲“i”达到其最大振幅一半值之前的10 ns时刻，Tdec是使得入射和反射脉冲下降至其最大值的5%所需的时间。还可以通过将等离子体视为具有恒定电导率的柱体来估计电场的平均值。高压电极的电势是入射和反射脉冲电势的总和。已知两个电极之间的距离（d0 = 5 cm），通过以下公式估计电场：

在每次射击之前的实验步骤如下：

1. 通过压缩空气进行10分钟的管道清洗。
2. 将一块新的碳沉积板螺紧在与测量室电极相对的内侧。
3. 检验点火蜡烛的正常工作。
4. 使用主泵进行真空抽气。
5. 燃料混合物被喷射进入。
6. 立即进行点火。

图6 - 实验台和同步系统的示意图。

图6显示了实验台的布置。同步序列从压力传感器P1的触发开始，该传感器检测到冲击波前沿并将信号传递给延迟发生器。根据我们的考虑，CJ爆轰在该传感器位置或之前被确立。根据使用动态压力传感器进行的射击结果（图3），选择了与放电相对位置的前沿。

图3 – 压力传感器在管道中的布置图。

电缆长度和各种电子设备的响应时间都在延迟计算中考虑在内。实验的高重复性使得前沿位置的不确定度低于一厘米。因此，根据所需的实验，可以轻松确定冲击波在腔室中的位置。

延迟发生器具有四个输出，可用于触发ICCD PI-MAX2相机（PI，200-800 nm）和FPG 25-001NM2C2高压发生器（FID GmbH）的三个脉冲。这些脉冲是负脉冲，幅度可调（在电缆中为2-25 kV），并且可以在200 ns至2 ms的时间间隔内相互分隔。

因此发生器可以提供多种操作模式。图7显示了“slow rise”模式（两个间隔为10 µs的脉冲）和“burst”模式（三个连续且间隔为200 ns的最大幅度脉冲）的情况。工作模式的选择应考虑所研究混合物的组成和平均细胞宽度。然而，需要事先确定能量沉积和由放电引起的非预期点火之间的折衷。

图7 - 放电配置：a）"slow rise"，b）"burst"。

图8展示了"slow rise"模式下实验的示意图。测量室被分为四个连续的时刻。高电压电极以长方形形状表示为黄色，在右侧，碳沉积板以灰色表示，在左侧。爆轰波用橙色表示，箭头指示其传播方向，燃烧气体以浅橙色表示。最后，等离子体以紫色示意。实验步骤如下：

1. 爆轰波以CJ速度进入测量室，在一个非预分解的初始状态下传播，因此在左侧的碳沉积板上留下了"参考"痕迹。
2. 当爆轰波到达所需位置时，第一个脉冲放电以FWHM为25 ns的持续时间触发。相对于爆轰波传播的特征时间，这个事件是瞬时的。
3. 爆轰波在一个预分解介质中传播，从而在左侧的碳沉积板上形成"修改"的痕迹。实际上，我们希望观察到在碳沉积板上平均细胞宽度的减小。
4. 在所需的延迟后触发第二个脉冲放电。在"slow rise"模式下，爆轰波的平均速度为2 km/s，因此爆轰波在10微秒内移动2厘米。这个时间间隔相对于测量室的长度很短，我们特别关注从第二个脉冲开始时在碳沉积板上的变化。

图8是"slow rise"模式下实验的示意图，其中四个图表显示了放电和爆轰波在测量室中的传播的同步情况。

在所有模式下，工作原理是相同的。

然而，在"burst"模式下，脉冲之间的时间非常短（200 ns），因此认为爆轰波在三个脉冲之间不移动，电信号通过BCS（图5.6）获取并发送到WaveRunner 4Xi-A 600-MHz示波器（LeCroy）进行记录。

图6 - 实验台和同步系统的示意图

放电形态则通过ICCD相机在紫外-可见光区域进行记录。

最后，每次实验结束后，测量室被打开以取出和分析沉积在碳板上的样品。所获得的结果针对每种不同初始压力的混合物进行展示。

我们从基于甲烷和氧气的化学计量比混合物开始研究，该混合物在60％的氩气中稀释，氩气在整个燃烧反应中作为观察者：

甲烷由于其完美的四面体结构和高度对称性而具有吸引力。通过电子衍射的测量结果显示，甲烷的C-H键长为108.7 pm，而乙烷为108.9 pm。因此甲烷在饱和烃中具有最强的C-H键，其在空气中的自燃点为540 C，而乙烷为500 C。

这些特性解释了相对于其他烃类化合物，甲烷在燃烧反应中的相对困难性。我们试图通过在燃烧反应之前通过等离子体破坏分子中的C-H键来促进该过程。

为了评估这种预解离效应，我们关注燃烧细胞的宽度变化。初始压力的选择考虑到在没有等离子体的情况下细胞的平均宽度。图5.9显示了不同初始压力下的平均燃烧细胞宽度。

图9

图9 ：对于基于氧气：甲烷的化学计量比混合物在60％氩气中稀释，燃烧细胞宽度与初始压力的关系。

在我们处于不利于燃烧和爆轰的条件下，我们应该自然地选择在低压下工作，其中一个板的宽度只有一个细胞。对于这种混合物，我们选择在120至200毫巴之间进行实验。

图10显示了180毫巴时放电的形态。三个图像对应于不同的景深。通过调整相机的对焦位置，可以获得图像，例如对于（a）和（c），可以在室窗口的位置，对于（b），可以在室中心的位置。我们注意到这三种情况之间的对焦差异不大。因此，随后的所有ICCD图像均在（b）的配置下拍摄。放电在室内均匀分布。

图10

图10：在化学计量比为氧气：甲烷，稀释为60％氩气的混合物中，在180 mbar下，对于不同景深的ICCD图像显示的放电情况。

结论

在减小爆轰细胞的平均宽度的实验过程中，我们需要对实验所需的材料和设备进行充分的准备，包括实验用的化学试剂、实验设备和仪器等。并对实验过程中的安全措施进行严格的遵守，确保实验过程的安全性。

在实验过程中，还需要对实验条件进行精细的控制和调节，以确保实验结果的准确性和可靠性。最后对实验数据进行充分的收集和分析，以便对实验结果进行研究。通过这些准备工作的充分开展，可以确保实验的顺利进行和实验结果的准确可靠。