Trichel脉冲放电为电晕放电中一种常见的不稳定现象。 为了进一步揭示Trichel脉冲的放电特性和放电机理, 本文利用针板放电结构, 在气压为600 Pa的空气环境下研究了Trichel脉冲放电的光学特性。 在平均电流为20～300 μA范围内, 放电分为Trichel脉冲放电模式和正常辉光放电模式。 在Trichel脉冲放电模式下, 平均极间电压随着平均电流的增高而降低； 正常辉光放电模式下, 平均极间电压随平均电流的增高基本保持不变。 实验拍摄并得到了不同平均电流时的发光图像, 从阴极针尖到阳极平板区域分为负辉区、 法拉第暗区、 正柱区和阳极辉区。 随着平均电流的增加, 负辉区、 正柱区以及阳极表面的发光增强, 负辉区体积基本保持不变, 法拉第暗区长度逐渐增加, 正柱区长度逐渐缩小。 在Trichel脉冲消失时, 负辉区发光向阴极针尖收缩, 正柱区向阳极板贴近, 并且两个区域发光明显增强。 利用光谱仪在300～800 nm波长范围内测量得到了不同平均电流时的发射光谱。 其中在300～450 nm波长范围内的发射光谱强度较高, 为氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πg)和氮分子离子的第一负带系（B2Σ+u→X2Σ+g）； 在650～800 nm附近发射光谱较弱, 为氮分子的第一正带发射谱（B3Πg→A3Σ+u）。 在此基础上, 根据N2(C3Пu→B3Пg )第二正带系发射光谱拟合得到了不同平均电流时氮分子的振动和转动温度。 结果表明, 分子振动温度和转动温度均随平均电流的增加而增加, 分子振动温度在3 900～4 500 K, 分子转动温度在430～450 K。 同时利用氮分子离子谱线391.4 nm和氮分子第二正带系谱线394.2 nm强度比计算得到了不同平均电流时的电场强度。 随着平均电流的增加, 电场强度升高, 在145～200 kV·m-1范围。 当Trichel脉冲消失时, 针尖附近分子振动温度和电场强度出现较为明显的升高。 此现象表明针尖附近的电子能量和电子密度随着脉冲的消失也出现了明显的升高。

为了进一步揭示空心阴极放电中放电模式的转换机制, 特别是空心阴极放电过程中自脉冲的形成机理, 利用柱型空心阴极放电结构, 在空气环境下研究了放电处于不同模式时的发光特性。 测量得到了不同放电模式下的伏安特性曲线、 放电发光图像、 自脉冲阶段的脉冲波形等。 实验结果表明随着放电电流的增加放电分为汤生放电模式、 自脉冲放电模式、 正常辉光放电模式和反常辉光放电模式。 虽然所用电源为直流电源, 但在自脉冲放电阶段电流和电压随时间呈周期性变化。 实验结果表明在不同的放电模式下具有不同的发光特性。 在由汤生放电转换为自脉冲放电模式和由自脉冲模式转换为正常辉光放电模式过程中, 放电腔的径向中心处和轴向孔口附近均存在光强的突变。 实验同时在200～700 nm范围内测量得到了不同电流时的发射光谱。 结果表明发射光谱主要集中在330～450 nm, 主要包括氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πg )和氮分子离子的第一负带系(B2Σ+u→X2Σ+g)。 其中氮分子离子第一负带系具有较强的发射光谱。 由于B2Σ+u激发电位较高, 因此该谱带较强发射光谱的存在表明空心阴极放电较其他放电形式更容易获得高激发态粒子和高能量电子。 在650～700 nm附近存在一弱的发光谱带, 主要为氮分子的第一正带发射谱(B3Πg→A3Σ+u)。 在此基础上根据双原子光谱发射理论, 结合氮分子第二正带系的三组顺序组带: Δν=-1, -2和-3, 利用玻尔兹曼斜率法计算得到了不同放电模式下氮气的分子振动温度。 结果表明在实验电流范围内分子振动温度在3 300 K左右, 随着电流的增加而升高, 并且在自脉冲消失时存在一突变迅速增强。 由于电子能量、 电子密度与分子振动温度密切相关, 因此该结果也表明随着放电电流的增加电子平均能量和电子密度不断增加, 当脉冲消失时, 电子平均能量和电子密度出现跃变升高。 最后, 对空心阴极放电中自脉冲的形成机理进行了讨论, 结果表明自脉冲放电源于放电模式的转换。

介质阻挡放电系统(DBD) 作为一个典型的非平衡气体放电系统, 不仅在工业生产如低温等离子体生产和发光等方面被广泛应用, 而且该系统表现出的非线性现象、 自组织现象也吸引人们的关注。 DBD系统中放电丝的等离子体参量受诸多因素影响, 为了探究DBD系统的放电条件对等离子体参量的影响, 该实验重新设计放电单元以保证在其他实验条件相同的情况下, 对放电气隙间距和气体组分与等离子体参数之间的关系展开研究。 本实验的放电单元为一个平板型玻璃框架气隙, 该气隙由三个厚度均为1.2 mm, 放电区域边长分别为40, 30和20 mm的正方形玻璃框架复合而成, 因此该放电气隙有三个放电区域, 将此复合气隙放置于可调节气体成分和压强的真空室内, 可以同时产生三种放电气隙间距分别为1.2, 2.4和3.6 mm的等离子体放电丝。 高速录像机拍摄的瞬时照片表明三种放电丝均为随机放电丝, 即其放电类型均为流光放电。 在垂直于放电气隙平面的方向设置光路, 使用聚焦透镜获得清晰的成像, 移动光纤探头实现空间分辨并采集数据。 实验用光谱仪采集三种等离子体的氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πu) 谱线, 根据谱线强度计算得到各类放电丝的分子振动温度; 利用谱线中包含的氮分子离子N+2第一负带系谱线(391.4 nm)和氮分子第二正带系394.1 nm谱线强度的比值反应放电丝中电子平均能量; 改变气室内氩气的含量, 得到了三种等离子体的分子振动温度和电子平均能量的变化趋势。 实验结果表明: 在氩气含量0%~60%区间内, 随着氩气含量的增加, 三种等离子体的分子振动温度均先升高后降低, 整体趋势表现为相同氩气含量下放电气隙间距越小分子振动温度越高, 即1.2 mm气隙厚度中的放电丝的分子振动温度最高, 2.4 mm气隙厚度次之, 3.6 mm气隙厚度的最低; 随氩气含量的增加放电丝的平均电子能量先升高后降低, 氩气含量相同时气隙厚度越小的放电丝的电子平均能量越高, 即1.2 mm气隙厚度中放电丝的电子平均能量最高, 2.4 mm气隙厚度的次之, 3.6 mm气隙厚度中的最低。 实验结果对于研究DBD系统中等离子体参量、 工业生产等方面具有重要的参考意义。

采用平行平板结构的微间隙介质阻挡放电装置，在锯齿波电压激励下产生了电流波形具有平台状的阶梯模式放电。研究发现，随锯齿波电压峰值的增大，放电平台的持续时间和幅值随之增加。采用光学方法对单个放电平台的时间演化进行研究，发现其放电机制属于大气压汤森放电。通过对放电的发射光谱进行采集，发现包含氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πu)、OH(A2∑+→X2Π)和ArⅠ的特征谱线。随锯齿波电压峰值的增大，OH(308.8 nm)谱线强度和分子振动温度增加，但电子激发温度减小。通过对ArⅠ(750.4 nm)强度进行比较，发现相同峰值电压下锯齿波激励介质阻挡放电比正弦激励介质阻挡放电产生的谱线强度更大。利用气体放电理论，对上述物理现象进行了定性解释。

空气和氩气混合气体的双水电极介质阻挡放电装置中, 在电压升高过程中首次发现了两种由亮点和暗点组成的亮暗点菱形斑图。 通过观察斑图照片可以发现: 第一种菱形斑图(菱形斑图Ⅰ)中的暗点处于由亮点组成的菱形单元的中心; 第二种菱形斑图(菱形斑图Ⅱ)中的暗点恰好处于周围其他三个亮点的中心位置。 利用发射光谱法, 通过采集氮分子（N2）第二正带系(C3Πu→B3Πg)发射谱线和氩原子696.54 nm（2P2→1S5）谱线的展宽, 研究了两种菱形斑图中亮点和暗点的分子振动温度和电子密度。 实验发现: 两种菱形斑图中暗点的分子振动温度均高于亮点, 相对菱形斑图Ⅰ来说, 菱形斑图Ⅱ中的亮点和暗点的分子振动温度均升高; 而菱形斑图Ⅰ中暗点的电子密度低于亮点, 菱形斑图Ⅱ中亮点和暗点的电子密度却几乎相等。 两种菱形斑图中电子密度表现出不同的变化趋势, 且在菱形斑图Ⅱ中表现出的规律尤为特殊, 因而采用高速录像机对菱形斑图Ⅱ进行短曝光拍摄观察斑图中亮点和暗点的成分, 发现暗点是体放电和沿面放电共存的状态。 进一步研究从菱形斑图Ⅰ到菱形斑图Ⅱ的演化过程中三种斑图中亮点的电子密度, 结果发现: 演化中间过程的斑图中的亮点的电子密度最大, 菱形斑图Ⅱ中亮点的电子密度最低。 实验结果对于研究斑图的自组织形成过程具有参考作用。

采用H型放电间隙的介质阻挡放电装置, 在氩气和空气的混合气体中, 得到了三种新颖的等离子体发光斑图。 较于传统获得的斑图, 这三种发光斑图是产生在单层气隙与双层气隙结合的气隙装置之中。 通过相机拍摄到的斑图照片, 可以发现单层气隙和双层气隙中微放电通道呈现的发光亮度、 颜色、 放电面积等状态有所不同, 这表明微放电通道所处的等离子体状态可能各不相同。 通过分析这三种等离子体发光斑图, 利用发射光谱法首次研究了单层气隙和双层气隙内微放电通道的等离子体参量。 实验通过采集氮分子第二正带系（C3Πu→B3Πg）的发射谱线计算了单层气隙和双层气隙内微放电丝的分子振动温度, 并进一步利用氩原子696.57 nm（2P2→1S5）谱线的展宽分析了单层气隙和双层气隙内微放电丝的电子密度。 结果发现: 在左右相同厚度的双层气隙中, 耦合微放电丝的分子振动温度基本相同, 电子密度也趋于一致, 单层气隙内微放电丝的分子振动温度要高于双层气隙内微放电丝, 电子密度则小于双层气隙内微放电丝。 单层气隙和双层气隙中不同微放电通道等离子体状态的差异性使之形成多种折射率的等离子体光子晶体, 其周期性排布将具有更加丰富的带隙结构。

在空气与氩气组成的混合气体的介质阻挡放电实验中, 采用发射光谱法, 首次研究了放电气隙分别为: 1, 4和2 mm三层放电气隙中的放电丝的光谱特性。 这与以往的单层放电气隙或者是双层放电气隙中的放电丝在光谱特性方面有很大的不同。 实验通过采集氮分子第二正带系（C3Πu→B3Πg)谱线, 计算出不同放电气隙中的放电丝的分子振动温度。 利用氮分子离子3914 nm谱线强度与氮分子3941 nm谱线的强度之比得到不同放电气隙中放电丝的电子平均能量。 增加氩气在混合气体中的比例, 得到分子振动温度及电子平均能量随着氩气含量增加的变化趋势。 实验结果表明: 在同一氩气含量下, 分子振动温度从小到大的顺序为: 2 mm放电气隙, 1 mm放电气隙, 4 mm放电气隙。 电子平均能量从小到大的顺序为: 4 mm放电气隙, 2 mm放电气隙, 1 mm放电气隙。 三层放电气隙中放电丝的分子振动温度及电子平均能量均随着氩气含量的增加而减小。

在空气与氩气按比例混合组成的气体放电中, 研究了由中心点和六边形晕组成的六边形晕斑图。 从照片中观察六边形晕斑图结构, 发现中心点和六边形晕的亮度有明显的差异, 说明中心点和六边形晕可能处的等离子体状态不同。 利用发射光谱法, 详细研究了该六边形晕斑图结构的中心点和六边形晕的等离子体参数随压强的变化关系。 实验根据氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)谱线计算了中心点和六边形晕的分子振动温度; 通过氮分子离子(391.4 nm) 与氮分子(394.1nm)谱线强度比, 反映中心点和六边形晕的电子平均能量; 利用氩原子696.5 nm(2P2→1S5)谱线的展宽, 研究了电子密度。 实验结果表明: 六边形晕斑图主要范围是氩气含量从60%～75%、 压强从30～46　kPa。 在相同的压强条件下, 六边形晕比中心点的分子振动温度、 电子平均能量均要高。 随着压强从30　kPa逐渐升高到46　kPa, 中心点和六边形晕的分子振动温度、 电子平均能量是逐渐增大的。 在相同的压强条件下, 六边形晕比中心点的谱线展宽要大, 且随着压强的升高而增加, 表明电子密度随着压强的增大而升高。 六边形晕和中心点的等离子体的状态不同, 说明二者放电机制上的差异。 进一步采用高速照相机对斑图的电流脉冲进行分脉冲瞬时拍摄, 发现中心点是由先放电的体放电形成, 而六边形晕是由放电晚于体放电的沿面放电形成。

利用水电极介质阻挡放电装置, 在氩气和空气的混合气体中, 首次观察到了超四边斑图沿面放电, 它是由中心点和暗点组成的。 通过观察普通相机的斑图照片, 可以发现中心点位于周围四个暗点的中心处。 利用高速录像机对斑图进行短曝光拍摄, 观察发现中心点对应体放电, 暗点对应沿面放电, 暗点由这些沿面放电形成。 中心点和暗点的亮度有所不同, 这说明中心点和暗点的等离子体状态可能不同。 采用发射光谱法, 研究了超四边斑图沿面放电的的中心点和暗点的等离子体参量随氩气含量的变化趋势。 利用氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)发射谱线, 计算得出了中心点和暗点的分子振动温度; 然后通过氩原子696.57　nm (2P2→1S5)谱线的展宽, 研究了中心点和暗点的电子密度。 实验结果表明: 在相同氩气含量下, 暗点的分子振动温度和电子密度均高于中心点的相应等离子体参量; 在其他实验条件不变的情况下, 随着氩气含量从90%增大到99.9%, 中心点和暗点的分子振动温度和电子密度均逐渐增大。 结果表明中心点和暗点的等离子状态不同, 说明二者的放电机制可能不同。

采用双水电极介质阻挡放电装置, 在空气和氩气的混合气体中, 首次研究了由中心亮点和暗点组成的亮暗点超六边形斑图。 通过观察斑图照片, 可以发现暗点位于周围其他三个亮点的质心处, 并且亮点和暗点的亮度有所不同, 这说明亮点和暗点的等离子体状态可能不同。 利用发射光谱法, 研究了亮暗点超六边形斑图中亮点和暗点的等离子体参量随氩气含量的变化趋势。 首先通过采集氮分子（N2）第二正带系(C3Πu→B3Πg)发射谱线, 计算出了亮点和暗点的分子振动温度; 之后利用氮分子离子391.4 nm和氮分子394.1 nm两条发射谱线的相对强度之比, 得到了此斑图中亮点和暗点的电子平均能量; 最后通过氩原子696.57 nm（2P2→1S5）谱线的展宽, 研究了此斑图中亮点和暗点的电子密度。 实验结果发现: 在同一氩气含量下, 亮暗点超六边形斑图中暗点的分子振动温度、 电子平均能量和电子密度均高于亮点的相应等离子体参量; 保持其他实验参数不变, 随着氩气含量从70%变化到95%, 亮点和暗点的分子振动温度和电子密度均是逐渐增大的, 而电子平均能量则是逐渐减小的。 亮点和暗点的等离子状态的不同, 说明二者的放电机制可能不同。 进一步采用高速录像机对斑图进行短曝光拍摄, 发现亮点存在沿面放电, 这些沿面放电交汇形成暗点。