中智科仪 EyeiTS高速像增强模组用于拍摄氩气等离子体射流成像
河北工程大学许慧敏等人借助中智科仪自主研发的EyeiTS高速像增强模组，近期以“Transition from a filamentary mode to a diffuse one with varying distance from needle to stream of an argon plasma jet”为题发表在“Chinese Physics B”期刊上。
研究背景
氩等离子体射流作为一种在大气压力下产生等离子体的技术，因其在多个领域的应用潜力而受到研究者的关注。这种技术能够在开放空间中产生富含活性物质的等离子体羽流，对于材料处理、生物医学、环境净化等应用具有重要意义。
在大气压等离子体射流环境下，丝状模式和扩散模式是比较常见的放电模式。
丝状模式：这种模式下，射流形成一条或多条明亮的光带(丝状)，能量集中，适用于精密加工如切割、焊接及局部表面处理。
扩散模式：在这种模式中，等离子体分布更广，能量分散，相比于丝状模式具有较低的气体温度，更适合于处理热敏感材料或生物材料，因此在生物医学和表面改性等领域的应用中更受青睐。
研究氩等离子体射流在这两种模式下的行为，可以帮助我们更好地理解等离子体与材料相互作用的机制，进而优化等离子体技术在实际应用中的性能。
在这项研究中，使用ICCD(增强电荷耦合器件)相机是一个重要的技术优势。ICCD相机具有高灵敏度和快速门控能力，能够捕捉到等离子体射流放电过程中的瞬态现象。通过ICCD相机拍摄的快速摄影图像，研究者能够观察到丝状模式下引导正流光在氩气流中的传播，以及扩散模式下分支流光在氩气流与周围空气界面层中的传播。这些详细的视觉数据为揭示等离子体射流在不同模式下的物理机制提供了关键证据。
此外，ICCD相机的使用还使得研究者能够精确测量等离子体射流的放电特性，包括放电脉冲的数量、强度和时间演化，这对于理解等离子体射流的工作原理和优化其性能至关重要。因此，ICCD相机在这项研究中发挥了不可或缺的作用，为深入研究氩等离子体射流提供了强有力的实验支持。
实验装置
图1 氩等离子体射流实验装置示意图
主测试设备：中智科仪EyeiTS-D-HQB-F高速像增强模组(配套佳能的EOS 5D Mark IV单反相机组成ICCD，记录氩等离子体羽流图像)。
其他设备参数：
玻璃管：内径3mm，外径5mm(用于通入氩气，氩气纯度99.99%);
气体流量计：Seven star CS200A，流量记为Q;
针状电极：直径1mm,针尖半径约400μm(针尖到玻璃管中心的距离为d);
电源供应：苏曼CTP-2000K低温等离子体实验电源，可提供频率25kHz,幅值(Vp)高达20kV的正弦电压;
示波器：泰克DPO4104(施加的电压由高压探头泰克P6015A检测，经由示波器显示);
PMT: ET Enterprises 9130/100B,检测放电的光的综合发射强度;
光谱仪：ACTON SP2750(利用2400刻线/mm的光栅收集放电的发射光谱)。
本文从氩等离子体射流的潜在应用前景出发，设计了一种通过改变针到流的距离产生扩散模式的放电装置。通过可视化、光电测量和高速摄影(通过中智科仪EyeiTS-D-HQB-F高速像增强模组和佳能单反相机配合采集图像)，揭示了扩散模式的机理。此外，用发射光谱法研究了等离子体从丝状模式向扩散模式转变过程中的等离子体参数(光谱法的相关内容具体参见论文，本文不具体展开介绍)。
实验结果和讨论
图2 不同电压下氩气等离子体射流图像的模式(主视图和侧视图)，曝光时间0.1s和(b)氩气流量Q=5L/min，d=5mm;(c)和(d)d=10mm。为清晰起见，玻璃管喷嘴处用虚线标记
当所加的电压大于15kV时，射流喷嘴处喷出等离子体射流。
当针尖到玻璃管中心距离d较短时，等离子体羽流表现为丝状模式;当d增大时，等离子体羽流表现为扩散模式。从图2右侧一列图像可以看出，丝状模式呈现为一个亮点，而扩散模式呈现为外围的发射环。因而，可以推测，对于丝状模式，放电开始于氩气流，而对于扩散模式，放电开始于氩气流与周围空气的界面层。除了下游羽流外，在丝状模式下还可以观察到上游羽流，然而，它在扩散模式中是不存在的。此外，两种模式下的等离子体羽流随所加电压的增加而拉长。在一定的电压下，羽流在丝状模式下比扩散模式下更长。
图3 氩气羽流发射的外加电压和积分光信号的波形。图(a)-(d)分别对应图2(a)-2(d)
图3给出了图2中等离子体羽流的外加电压和综合光信号的发射波形，在丝状模式下，每个电压周期都有一次放电，放电开始于正电压的上升沿(图2(a)),每个电压周期的放电次数随着外加电压的增加而增加，如图2(b)所示。高外加电压的第一次放电几乎在零电压下开始，这与介质阻挡放电中的现象类似。无论是在低的外加电压或者高的外加电压情况下，扩散模式下每个电压周期只有一次放电，且放电总是出现在正电压的上升沿(见图2(c)和图2(d))，放电强度随外加电压的增大而增加。
图4 丝状模式产生的氩气流的单次ICCD成像 (图2(a))。最上面的图像包括氩气流整个放电持续时间，其他图像曝光时间为10ns
图4为氩气流在细丝模式下的高速摄影图像，可看出针和玻璃管之间的放电是条纹状的，而流光也即等离子体放电发出的光是连续的。在针管放电过程中，由于电子与正离子的迁移率差异很大，电子向针管阳极漂移并进入针管，使正离子沉积在放电通道和针管内表面。随着针管放电的进行，积累了越来越多的正离子，从而增强了针管右侧区域的电场。因此，随着时间的增大，电场强度也在不断增强，在达到阈值时产生正流光。结果一个发射层，即等离子体子弹或者称为头部流光在0ns的时刻出现在针尖附近，然后从针尖向下游区域从110ns传播到770ns。由于羽流的传播方向恒定，也可称为引导流。除了明亮的头部流光外，在头部流光后面的通道中也能看到微弱的发光。在770ns时，引导流的头部到达羽流尾部，然后整个放电过程结束。因而，可以得出丝状模式来源于引导流在氩气流中的传播。
图5 氩羽的单次ICCD成像以扩散模式产生(图2(c))。由于放电的随机性，在给定时刻的一列中给出三幅图像。
图5显示了扩散模式下氩气羽流的时间演变。在这种模式下，针管放电几乎不存在。原本在空气附近传播的正流光在0ns时刻达到氩羽流与周围空气的界面层附近。由于氩气和氮气之间存在彭宁电离，界面层击穿阈值低于氩羽流。因此，在此条件下，流光倾向于在界面层中传播，而不是在氩羽流中。此外，流光是界面层的一个分支流，随着时间从60ns增加到420ns左右，分支流在界面层向氩羽流末端传播。在明亮的流光头部的后面区域，几乎看不出有明显的发光情况。从图5可以看出，流光的头部的位置和数量是随机的。因此，可以得出结论，扩散模式是由随机分支的流光在界面层中的传播引起的.扩散羽流对应于分支流光的时间叠加。
总结
等离子射流在各个领域都有广泛的应用潜力，当使用氩气时，等离子体射流通常以丝状模式运行，但是扩散模式的射流更适合应用。为了实现氩等离子体射流的扩散模式，本文研制了一种新型的单针氩等离子体射流装置，当针尖到氩羽流中心距离d较短时，等离子体射流以丝状模产生，随着距离d的增大，过渡到扩散模式。对于扩散模式，每个电压周期总是有一个放电脉冲，并且放电脉冲开始于正电压的上升沿。相比之下，丝状模式的放电脉冲数随着峰值电压的增加而增加。利用中智科仪的EyeiTS高速像增强模组通过高速摄影揭示了丝状模式的等离子体羽流是由一个引导的正流光引起的，它在氩气流中传播;而扩散模式的羽流来自于一个分支流，它在氩气流和周围空气之间的界面层中传播。
论文链接
DOI：10.1088/1674-1056/ad0149
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解决方案
由中智科仪自主研发生产的EyeiTS像增强模组适用于灵敏度要求以及高速采集速度要求较高的实验：
单光子探测灵敏度：
在火焰燃烧诊断实验中，选用Hi-QE Blue 光阴极，在紫外波段的量子效率高达30%以上;更高增益的双层MCP可选，最高增益高达15万倍，支持单光子信号探测。
超高采集频率：
EyeiTS高速像增强模组最高可支持百万帧高速成像采集。
精准的时序控制：
EyeiTS高速像增强模组可选择D410时序同步控制器，具有3路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps;
高通量紫外镜头：
F/2超大通量紫外镜头专为火焰燃烧优化设计。
