TWI730486B - 流場可視化觀測裝置與流場可視化觀測方法 - Google Patents

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Abstract

一種流場可視化觀測裝置，包括腔體、電源供應器、至少一對電極以及至少一流場觀測模組。所述流場觀測模組包括高速攝影機、光偵測組件以及濾光組件。電源供應器輸出電漿產生用的電壓，所述對電極設置於腔體內。流場觀測模組則設置於腔體外並朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像。濾光組件設置於高速攝影機與述腔體之間。光偵測組件取得腔體內的光資訊，並傳送至濾光組件。

Description

流場可視化觀測裝置與流場可視化觀測方法
本發明是有關於一種流場可視化技術，且特別是有關於一種流場可視化觀測裝置及觀測方法。
傳統可視化分析透過雷射作為照明，以利於高速攝影機的截取畫面，因此受限於腔體的形狀與抽氣影響粒子擾流，且壓力須在常壓範圍，粒子才能有效被拍攝，因此無法量測低壓真空CVD(Chemical Vapor Deposition)製程流場。另亦可利用電漿激發流體產生發光的特性，以電漿顯影取代雷射照明的方式，來進行可視化分析。惟基於電漿之光強度、拍攝背景亮度及光波段的影響等，容易發生高速攝影機取像時有過度曝光之情形，使得拍攝效果不佳，造成流場粒子影像的誤判。
另外，傳統使用雷射光源的可視化分析方式，針對低壓真空電漿顯影流場的可視化拍攝範圍有所侷限，且真實性與準確度不足。傳統流場可視化分析方式缺少光強度等偵測技術，故難以取得最佳的拍攝影像，並使得流場可視化的拍攝範圍侷限且真 實性準確度不足。
本發明提供一種流場可視化觀測裝置與一種流場可視化觀測方法，能解決電漿光強度造成之過度曝光，減少流場粒子影像之誤判，並提升流場可視化拍攝範圍及真實性準確度。
本發明的流場可視化觀測裝置包括腔體、電源供應器、至少一對電極以及至少一流場觀測模組。所述流場觀測模組包括高速攝影機、光偵測組件以及濾光組件。電源供應器輸出電漿產生用的電壓，所述對電極設置於所述腔體內。所述流場觀測模組設置於腔體外並朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像。濾光組件設置於高速攝影機與腔體之間，且光偵測組件用以取得腔體內的光資訊，並傳送至濾光組件。
本發明的流場可視化觀測方法包括利用設置於一腔體內的電漿產生器產生電漿，並設置至少一個流場觀測模組於腔體外，再利用流場觀測模組的光偵測組件取得腔體內的光資訊，並傳送至濾光組件，然後利用流場觀測模組的高速攝影機透過濾光組件拍攝電漿所激發的流體粒子影像。其中，所述流場觀測模組包括高速攝影機、光偵測組件以及濾光組件，且光偵測組件以及濾光組件設置於高速攝影機與腔體之間。而所述流場觀測模組設置於腔體外並朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像。
基於上述，本發明利用電漿激發氣體產生發光的特性， 以電漿顯影取代雷射照明，並偵測流場的光資訊，例如光強度資訊等，藉由選用適當濾光組件來調整高速攝影機之最佳拍攝光源，可解決因電漿光強度而導致過度曝光之問題，減少流場粒子影像之誤判。
為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:腔體
102:電源供應器
104:一對電極
110:第一電極
112:第二電極
114:電漿
116:真空設備
120:電腦主機與監視器
200:流場觀測模組
202:高速攝影機
220:光偵測組件
230:濾光組件
231a、231b:第一承載件
232a、232b:濾光單元
240:濾波組件
241a、241b:第二承載件
242、242a、242b:濾波單元
S100、S110、S210、S600、S610、S620、S630:步驟
圖1是依照本發明的第一實施例的一種流場可視化觀測裝置的示意圖。
圖2A與圖2B是第一實施例的流場可視化觀測裝置中，濾光組件與濾波組件的一種例子的示意圖。
圖3A與圖3B是第一實施例的流場可視化觀測裝置中，濾光組件與濾光組件的另一種例子的示意圖。
圖4A與圖4B是依照本發明的第二實施例的兩種流場可視化觀測方法的步驟圖。
以下將參考圖式來全面地描述本發明的例示性實施例，但本發明還可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。為了清楚起見，區域或結構的相對厚度及位置可 能縮小或放大。另外，在各圖式中使用相似或相同的元件符號來表示相似或相同的元件。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種流場可視化觀測裝置的示意圖。
請參照圖1，第一實施例的流場可視化觀測裝置基本包括一腔體100、一電源供應器102、一對電極104以及一流場觀測模組200。電源供應器102用以輸出電漿產生用的電壓，且電源供應器102通常設置於腔體100外並電性連接至設置於腔體100內的對電極104。所述對電極104具有第一電極110與第二電極112。所述對電極104能藉由來自電源供應器102的電壓激發腔體100內的流體(未繪示)而產生電漿114，其中上述流體例如惰性氣體。流場觀測模組200則設置於腔體100外並朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。所述流場觀測模組200包一括高速攝影機202、一光偵測組件220、一濾光組件230，以及一濾波組件240。要說明的是，在一實施例中，可省略設置濾波組件240，也就是僅設置濾光組件230。
在圖1中，光偵測組件220、濾光組件230以及濾波組件240設置於高速攝影機202與腔體100之間。光偵測組件220能取得腔體100內的光資訊，例如光強度資訊與光波長資訊的至少其中之一，並傳送至濾光組件230與濾波組件240的至少其中之一，且高速攝影機202透過濾光組件230與濾波組件240中的至少其中之一，朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。本實施例的流場可視 化觀測裝置還可包括一真空設備116，用以使腔體100內保持真空狀態。此外，為了進行影像分析，還可設置電腦主機與監視器120，來接收流場觀測模組200所拍攝的流體粒子影像並進行分析。因此，本發明的裝置可應用於低壓真空的腔體內三維立體流場拍攝，以解決傳統使用雷射與粒子進行流場模擬驗證分析時不能在低壓進行的問題。
根據一實施例，供應高壓電至上述的一對電極104，將會產生電漿114，並藉由電漿114激發流體發光，因此能提升流場可視化拍攝範圍。再搭配高速攝影機調整頻率進行全域速度向量場(Global Velocity Field)截取，就可完成立體流場的拍攝並進行分析。
圖2A與圖2B是第一實施例的流場可視化觀測裝置中的濾光組件與濾波組件的一種實施例示意圖。請參見圖2A，濾光組件230包括一第一承載件231a以及多個濾光單元232a，各濾光單元232a例如包含一濾光片，各濾光片具有不同的遮光性可過濾出不同的光強度。類似地，濾波組件240包括一第二承載件241a以及多個濾波單元242a，各濾波單元242a例如包含一濾波片，各濾波片具有不同的濾波波段。在一實施例中，各濾光片具有不同的遮光性，可衰減光的強度值並改變光的光譜成分，以便過濾選取出合適於高速攝影機202進行拍攝的光強度。在另一實施例中，各濾波片具有不同的濾波波段，可過濾選取出合適於高速攝影機202進行拍攝的範圍波段光，並過濾屏蔽不合適的範圍波段光。要 說明的是，在一實施例中，可省略設置濾波組件240，也就是僅設置濾光組件230。
在本實施例中，第一承載件231a與第二承載件241a為圓盤狀，多個濾光單元232a與多個濾波單元242a為圓形片狀，但本發明不以此為限，第一承載件與第二承載件亦可為方形盤狀等，且不同規格的濾光單元232a與濾波單元242a亦可以非等距地分別置於第一承載件231a與第二承載件241a上。再者，濾光單元232a與濾波單元242a的數量可相同或不相同。
請同時參照圖1以及圖2A與圖2B，依據本發明的第一實施例的一種流場可視化觀測裝置，流場觀測模組200依據光偵測組件220所取得之腔體100內的光強度資訊，選用濾光組件230之一適當的濾光單元232a，再使高速攝影機202透過選用的濾光單元232a朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。或者，流場觀測模組200依據光偵測組件220取得之腔體100內的光波長資訊，選用濾波組件240之一適當的濾波單元242a，再使高速攝影機202透過選用的濾波單元242a朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。也就是說，高速攝影機202至少透過濾光組件230與濾波組件240的其中之一，朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。要說明的是，在另一實施例中，也可直接省略設置濾波組件240，僅設置濾光組件230。
請見圖2B，第一承載件231a具有一第一旋轉軸，第二承載件241a具有一第二旋轉軸，在本實施例中，第一旋轉軸相同於 第二旋轉軸，且均為幾何中心旋轉軸。可藉由僅僅驅動其中一個旋轉軸來轉動第一承載件231a，使一濾光單元232a與一濾波單元242a重疊；亦可藉由僅僅驅動一個旋轉軸來轉動第二承載件241a，使一濾波單元242a與一濾光單元232a重疊。又另可同時驅動兩個旋轉軸來轉動第一承載件231a以及第二承載件241a，使一濾光單元232a與一濾波單元242a重疊。
如圖1、圖2A與圖2B，在又一實施例中，高速攝影機202至少透過濾光組件230與濾波組件240的其中之一，朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。也就是說，在高速攝影機202進行拍攝時，濾光單元232a與濾波單元242a可不產生重疊。例如在圖2A中，可以分別地以一透光片或一貫穿圓孔來取代一濾光單元232a與一濾波單元242a的置放，即可實現此又一實施例。要說明的是，在另一實施例中，也可直接省略設置濾波組件240，僅設置濾光組件230。
圖3A與圖3B是第一實施例的流場可視化觀測裝置中，濾光組件與濾波組件的另一種實施例示意圖。與圖2A及圖2B所不同的是，第一承載件與第二承載件的型態。
在圖3A中，第一承載件231b與第二承載件241b可相對性地進行平移，使一濾光單元232b與一濾波單元242b重疊。
在圖3B中，第一承載件231b與第二承載件241b分別將多個濾光單元232b與多個濾波單元242b收納於高速攝影機202的拍攝取像範圍之外。
請同時參照圖1以及圖3A與圖3B，在本實施例中，流場觀測模組200依據光偵測組件220所取得之腔體100內的光強度資訊，選用濾光組件230之一適當的濾光單元232b後，將此選用的濾光單元231b移出至高速攝影機202的拍攝取像範圍之內，再使高速攝影機202透過選用的濾光單元232b朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。在又一實施例中，流場觀測模組200依據光偵測組件220取得之腔體100內的光波長資訊，選用濾波組件240b之一適當的濾波單元242b後，將此選用的濾波單元242b移出至高速攝影機202的拍攝取像範圍之內，再使高速攝影機202透選用的濾波單元242b朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。
如圖1、圖3A與圖3B，在此實施例中，高速攝影機202至少透過濾光組件230與濾波組件240的其中之一，朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。也就是說，在高速攝影機進行拍攝時，濾光單元232b與濾波單元242b可不產生重疊。例如在圖3A與圖3B中，可以分別地以一透光片或一貫穿孔來取代一濾光單元232b與一濾波單元242b的置放，即可實現此又一實施例。又，濾光單元232b與濾波單元242b的數量可相同或不相同。
依據本發明的第一實施例的一種流場可視化觀測裝置，在此實施例中，流場觀測模組200依據光偵測組件220所取得之腔體100內的光強度資訊，選用濾光組件230之一適當的濾光單 元232b，再使高速攝影機202透過選用的濾光單元232b朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。或者，流場觀測模組200依據光偵測組件220取得之腔體100內的光波長資訊，選用濾波組件240之一適當的濾波單元242b，再使高速攝影機202透選用的濾波單元242b朝腔體100拍攝電漿114所激發的流體粒子影像。要說明的是，在另一實施例中，可省略設置濾波組件240，僅設置濾光組件230。
圖4A與圖4B是依照本發明的第二實施例的兩種流場可視化觀測方法的步驟圖。
請先參照圖4A，進行步驟S600，利用設置於腔體內的電漿產生器產生電漿，其中電漿產生器包括如第一實施例所述的一對電極。
然後，設置至少一個流場觀測模組於腔體外，流場觀測模組包括高速攝影機、光偵測組件以及濾光組件。且，光偵測組件以及濾光組件設置於高速攝影機與腔體之間。在步驟S610中，利用流場觀測模組朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像。
另外，在進行步驟S610之前，可先利用流場觀測模組的光偵測組件，取得腔體內的光資訊(步驟S100)，光資訊包含有光強度資訊與光波長資訊的至少其中之一；在圖4A的實施例中，依據所取得的光資訊中的光強度資訊選用濾光組件之一濾光單元(步驟S110)，再使流場觀測模組的高速攝影機透過所選用的濾光單元朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像(步驟S610)。
在圖4B的另一實施例中，流場觀測模組更包括一濾波組件，濾波組件設置於高速攝影機與腔體之間，濾波組件包括多數個濾波單元；在進行步驟S610之前，先利用流場觀測模組的光偵測組件，取得腔體內的光資訊(步驟S100)，並依據所取得的光資訊中的光強度資訊選用濾光組件之一濾光單元(步驟S110)；此外，在進行步驟S610之前，亦可依據所取得的光資訊中的光波長資訊選用濾波組件之一濾波單元(步驟S210)，再使流場觀測模組的高速攝影機透過所選用的濾波單元朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像(步驟S610)。要說明的是，流場觀測模組可依據光偵測組件所取得的光資訊，選用一濾光單元與一濾波單元的至少其中之一，且流場觀測模組的高速攝影機可透過所選用的濾光單元與所選用的濾波單元的至少其中之一，朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像。
詳細來說，在步驟S110與步驟S210中，濾光組件包括一第一承載件與多個濾光單元，多個濾光單元設置於第一承載件上且各濾光單元包含一濾光片；濾波組件包括一第二承載件與多個濾波單元，多個濾波單元設置於第二承載件上且各濾波單元包含一濾波片；至於濾光單元與濾波單元的選用方式，例如上述實施例的流場可視化觀測裝置，在一實施例中，第一承載件與第二承載件具有一共同旋轉軸，在拍攝電漿所激發的流體粒子影像之前，第一承載件與第二承載件依據共同旋轉軸進行旋轉，使一濾光單元與一濾波單元產生重疊；在又一實施例中，第一承載件與 第二承載件可相對性地進行平移，在拍攝電漿所激發的流體粒子影像之前，第一承載件與第二承載件相對性地進行平移，使一濾光單元與一濾波單元產生重疊。
依據本發明的第二實施例的一種流場可視化觀測方法，流場觀測模組的高速攝影機透過濾光組件與濾波組件的至少其中之一朝腔體拍攝電漿所激發的流體粒子影像。
另外，在進行步驟S600之前，可先在腔體內通入流體(步驟S620)，且所通入的流體例如惰性氣體。此外，若是待測流場是用於低壓真空狀態，則在進行步驟S600之前，需對腔體抽真空(步驟S630)。
依據本發明的第二實施例的一種流場可視化觀測方法，可藉由電漿激發氣體發光，並由高速攝影機調整頻率進行全域速度向量場(Global Velocity Field)截取；然後利用電腦主機設定全域面積或體積，再分成多個相等面積(避免氣體粒子速度過快造成配對誤差)，以追蹤氣體粒子在空間移動的狀況，並記錄成流場速度圖。
綜上所述，本發明利用電漿激發流體(例如氣體)發光的現象(即電漿顯影)取代傳統雷射照明，因此無需顧慮角度問題，即可直接截取畫面，達成立體流場拍攝的效果，並可應用於低壓腔體內的流場模擬驗證分析，如多重反應氣體流量、氣壓、化學行為監測等。本發明利用電漿激發氣體產生發光的特性，以電漿顯影取代雷射照明，並偵測流場的光資訊(如光強度資訊與光波長 資訊的至少其中之一)，藉由選用適當濾光組件及/或濾波組件來調整高速攝影機之最佳拍攝光源，可解決因電漿光強度而導致過度曝光之問題，減少流場影像之誤判。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100：腔體 102：電源供應器 104：一對電極 110：第一電極 112：第二電極 114：電漿 116：真空設備 120：電腦主機與監視器 200：流場觀測模組 202：高速攝影機 220：光偵測組件 230：濾光組件 240：濾波組件

Claims (22)

  1. 一種流場可視化觀測裝置，包括：一腔體；一電源供應器，其輸出電漿產生用的電壓；至少一對電極，設置於該腔體內，該至少一對電極藉由來自該電源供應器的電壓激發該腔體內的流體而產生電漿；以及至少一流場觀測模組，設置於該腔體外並朝該腔體拍攝該電漿所激發的流體粒子影像，該流場觀測模組包括：高速攝影機；濾光組件，設置於該高速攝影機與該腔體之間；以及光偵測組件，取得該腔體內的光資訊，並傳送至該濾光組件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化觀測裝置，更包括一真空設備，用以使所述腔體內保持真空狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化觀測裝置，其中該流體包括惰性氣體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化觀測裝置，其中該高速攝影機至少透過該濾光組件與該濾波組件的其中之一朝該腔體拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該濾光組件包括多數個濾光單元。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該流場觀測模組依據該光偵測組件取得之該腔體內的該光資訊中的光強度資訊，選用該濾光組件中的一個該濾光單元，使該高速攝影機透過該選用之該濾光單元朝該腔體拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像。
  7. 如申請專利範圍第1項或第5項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該流場觀測模組更包括一濾波組件，該濾波組件設置於該高速攝影機與該濾光組件之間；該濾波組件包括多數個濾波單元；該流場觀測模組依據該光偵測組件取得之該腔體內的該光資訊中的光波長資訊，選用該濾波組件中的一個該濾波單元，使該高速攝影機透過該選用之該濾波單元朝該腔體拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該濾光組件包括一第一承載件，該多數個濾光單元設置於該第一承載件上；該濾波組件包括一第二承載件，該多數個濾波單元設置於該第二承載件上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該第一承載件具有一第一旋轉軸，該第一承載件依據該第一旋轉軸進行轉動，使一個該濾光單元與一個該濾波單元重疊。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該第二承載件具有一第二旋轉軸，該第二承載件依據該第二旋轉軸進行轉動，使一個該濾波單元與一個該濾光單元重疊。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該第一承載件與該第二承載件具有一共同旋轉軸，該第一承載件與該第二承載件依據該共同旋轉軸進行旋轉，使一個該濾光單元與一個該濾波單元重疊。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該第一承載件與該第二承載件可相對性地進行平移，使一個該濾光單元與一個該濾波單元重疊。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的流場可視化觀測裝置，其中，該流場觀測模組更包括一濾波組件，該濾光組件設置於該高速攝影機與該濾波組件之間；該濾波組件包括多數個濾波單元；該流場觀測模組依據該光偵測組件取得之該腔體內的該光資訊中的光波長資訊，選用該濾波組件中的一個該濾波單元，使該高速攝影機透過該選用之該濾波單元朝該腔體拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像。
  14. 一種流場可視化觀測方法，包括：利用設置於一腔體內的電漿產生器產生電漿，其中該電漿產生器包括至少一對電極；設置至少一個流場觀測模組於該腔體外，該流場觀測模組包括高速攝影機、光偵測組件以及濾光組件，其中，該光偵測組件以及該濾光組件設置於該高速攝影機與該腔體之間；利用該流場觀測模組的該光偵測組件取得該腔體內的光資訊，並傳送至該濾光組件；以及 利用該流場觀測模組的該高速攝影機透過該濾光組件朝該腔體拍攝該電漿所激發的流體粒子影像。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的流場可視化觀測方法，其中在產生該電漿之前更包括在該腔體內通入該流體，且該流體包括惰性氣體。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的流場可視化觀測方法，其中在產生該電漿之前更包括對該腔體抽真空。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的流場可視化觀測方法，其中，該濾光組件包括多數個濾光單元。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的流場可視化觀測方法，其中，在取得該腔體內的該光資訊中的光強度資訊之後，並在拍攝該電漿所激發的流體粒子影像之前，更包括依據該光強度資訊選用該濾光組件之一個該濾光單元，使該高速攝影機透過該選用之該濾光單元朝該腔體拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像。
  19. 如申請專利範圍第14項或第17項所述的流場可視化觀測方法，其中，該流場觀測模組更包括一濾波組件，該濾波組件設置於該高速攝影機與該濾光組件之間，該濾波組件包括多數個濾波單元；在取得該腔體內的該光資訊中的光波長資訊之後，並在拍攝該電漿所激發的流體粒子影像之前，更包括依據該光波長資訊選用該濾波組件之一個該濾波單元，使該高速攝影機透過該選用之該濾波單元朝該腔體拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的流場可視化觀測方法，其中該濾光組件包括一第一承載件與多數個濾光單元，該多數個濾光單元設置於該第一承載件上且各該濾光單元包含一濾光片；該濾波組件包括包括一第二承載件與多數個濾波單元，該多數個濾波單元設置於該第二承載件上且各該濾波單元包含一濾波片；其中，該第一承載件與該第二承載件具有一共同旋轉軸；在拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像之前，更包括：依據該共同旋轉軸旋轉該第一承載件與該第二承載件，使一個該濾光單元與一個該濾波單元重疊。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的流場可視化觀測方法，其中該濾光組件包括一第一承載件與多數個濾光單元，該多數個濾光單元設置於該第一承載件上且各該濾光單元包含一濾光片；該濾波組件包括包括一第二承載件與多數個濾波單元，該多數個濾波單元設置於該第二承載件上且各該濾波單元包含一濾波片；其中，該第一承載件與該第二承載件可相對性地進行平移；在拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像之前，更包括：相對性地平移該第一承載件與該第二承載件，使一個該濾光單元與一個該濾波單元重疊。
  22. 如申請專利範圍第14項所述的流場可視化觀測方法，其中，該流場觀測模組更包括一濾波組件，該濾光組件設置於該高速攝影機與該濾波組件之間，該濾波組件包括多數個濾波單元；在取得該腔體內的該光資訊中的光波長資訊之後，並在拍 攝該電漿所激發的流體粒子影像之前，更包括依據該光波長資訊選用該濾波組件之一個該濾波單元，使該高速攝影機透過該選用之該濾波單元朝該腔體拍攝該電漿所激發的該流體粒子影像。
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