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。

利用流体模型模拟研究了氦气空心阴极放电的时空动力学过程, 计算得到了不同放电时刻电子和亚稳态氦原子密度、电势、电场、基态电离速率和分步电离速率等的时空分布特性。特别是讨论了亚稳态原子和分步电离对于放电的影响。结果表明, 随着电流的增长, 放电处于五个不同的放电模式: 第一阶段电流上升非常缓慢, 为汤生放电模式, 带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场均很弱; 第二阶段电流迅速上升, 放电模式由汤生放电向空心阴极放电过渡, 带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场迅速增强; 第三阶段达到准稳态阶段, 放电电流增长速度变缓, 形成了明显的阴极鞘层结构; 第四阶段为空心阴极效应形成阶段, 向稳态阶段过渡; 第五阶段为稳态放电阶段。研究结果同时表明, 亚稳态氦原子和分步电离在放电的初始阶段对于放电的发展作用较弱, 在前三阶段中, 电子的产生以基态电离为主。随着放电的发展, 由亚稳态原子引起的分步电离对新的电子产生的作用逐渐接近并超过基态电离, 对总电离的贡献率越来越高。

采用C语言编程实现的三维系综蒙特卡罗模型研究了 外加磁场对微空心阴极放电的影响。研究结果显示,当气体压强和外加电压保持不变时,在微空心阴极放电 系统中加入外部磁场后,阴极方向电子密度分布变化不大,轴向和侧向电子漂移范围减小,电子能 量向低能方向移动,但是外加磁场对高气压微空心阴极放电的影响整体上不如对低气压放电的影响明显。 研究结果对于理解微空心阴极放电等离子体的机理具有一定的指导意义。

微空心阴极放电是一种典型的非平衡高压微放电,可以在较低的放电电压下产生高浓度的稠密等离子体,研究潜力巨大.分析比较了目前主要的仿真模型:蒙特卡罗模型、流体模型、动力学模型(以粒子-蒙特卡罗模型为主)、混合模型和等效电路模型.这些模型均可以用于探索放电系统内部的发展规律:微空心阴极放电经历反常辉光放电、自脉冲和正常辉光放电三个阶段,最终达到放电稳态.其中自脉冲阶段等离子体密度达到峰值,是当前研究的热点.

利用发射光谱法, 在氮气环境下研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性。 测量得到了气压为20 Pa, 放电电流为1.3 mA时条纹区的发射光谱, 结果表明发射光谱主要为氮分子的第一正带系（B3Пg →A3Пu）和 第二正带系(C3Пu→B3Пg )。 利用双原子光谱发射理论, 计算得到了氮分子振动温度的空间分布特性。 结果表明光谱线强度呈周期性分布, 明纹中心处的谱线强度高于暗纹中心处的谱线强度。 明纹中心处的N2分子振动温度为3 500～4 400 K, 并且从阴极到阳极, 明纹中心处光谱线强度和分子振动温度逐渐下降。 同时测量得到了放电电流为1.0和1.5 mA时的发光条纹特性, 研究了放电电流对条纹特性的影响。 随着放电电流的增加, 明纹中心处的分子振动温度升高, 条纹间距增加。 另外, 利用测量得到的发光条纹, 计算得到了条纹区的平均约化电场强度为44～49 m-1·Pa-1, 并且由阴极向阳极逐渐降低。 对于揭示气体放电中发光条纹的形成机理和促进空心阴极放电的稳定性有重要的参考价值。

为了揭示微空心阴极放电的放电机理，利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3×104 Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明，整个放电过程分为四个阶段，即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应，阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量，而负辉区径向电场很弱，电子平均能量较低，电子和离子密度峰值出现在负辉区，二者数值基本相等，而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。

在Cr原子沉积研究中，为了实现Cr原子的激光冷却与汇聚，必须将激光频率锁定在52Cr的425.55 nm7S3→7P04跃迁谱线上。鉴于Cr是高熔点金属，实验中设计并制造了一种通孔型的Cr氦空心阴极放电装置，采用放电溅射的方式制备了Cr原子蒸气，并应用偏振光谱稳频技术实现了激光稳频。该技术简化了实验装置，提高了实验效率。在不需要任何调制器件和锁相放大器的条件下，实验得到了高信号背景比的色散型信号。该信号被用作误差信号，将一台倍频钛宝石激光器的频率锁定在52Cr的7S3→7P04跃迁谱线上。锁定时间大于1 h，激光的频率波动小于±295 kHz。实验表明，该技术适用于高熔点金属的稳频。

利用发射光谱法, 研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性。 测量了条纹区的发射光谱, 在此基础上计算得到了电子激发温度、 相对电子密度和电子平均能量的空间分布特性。 结果表明条纹区的光强、 电子激发温度和电子密度均呈非等幅的周期性变化。 与暗纹中心处相比, 明纹中心具有较高的电子激发温度和较低的电子密度。 由阴极向阳极, 明纹中心处的电子激发温度幅值逐渐减小。 此外, 条纹区的电子激发温度随着电流的增加而增加。

针对微空心阴极放电(MHCD)装置, 通过在氩气中添加少量氮气, 分析氮分子第一正带系N2(B3ΠgA3+u)发射光谱的方法测量了MHCD中的气体温度, 通过氩气中混有的少量氢气, 分析Hβ谱线Stark加宽得到电子数密度。 研究表明, MHCD在极小的体积和很高的功率密度下维持放电, 致使发生了明显的气体加热现象, 气体温度可高于700 K, 并且随着放电室压强和放电电流呈有规律的变化, 具有较好的可控性, 电子数密度的量级为1014～1015 cm-3。 通过对不同条件下等离子体特性参数的诊断和分析, 得到了其量级和变化规律, 对MHCD的广泛研究和应用提供了重要的实验数据和技术支持。

微空心阴极放电推力器是一种新颖的电热式微推力器, 利用纳卫星提供的1～10 W的功率可提高微推进装置的性能。为了预示该推力器的性能, 结合实验中测量的气体温度值和火箭发动机原理, 初步计算得出微放电推力器的推力范围为几十至上千μN, 以氩气为工质比冲量级为600～1 000 N·s/kg, 以氦气为工质比冲量级为3 000 N·s/kg。研究结果表明, 微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合, 可以开发应用在电热式微放电推进中, 作为微小卫星, 尤其是纳卫星和皮卫星的动力系统。