狹縫介質阻擋放電電子密度

呂英輝，董麗芳，劉為遠

（河北大學物理科學與技術學院，河北保定 071002）

狹縫介質阻擋放電電子密度

呂英輝，董麗芳，劉為遠

（河北大學物理科學與技術學院，河北保定 071002）

利用平行管水電極介質阻擋放電裝置，在大氣壓氬氣和空氣混合氣體中，得到了均勻狹縫等離子體，并采用光譜方法，研究了微間距介質阻擋放電的放電絲分布均勻時電子密度.實驗測量了等離子體發射的氬原子696.54 nm譜線，通過反卷積程序分離出Stark展寬，由此得到均勻放電時等離子體電子密度約為8.79×1015cm－3.

介質阻擋放電；Stark展寬；電子密度

介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，簡稱DBD）是一種產生冷等離子體的交流氣體放電，其裝置的主要特點是至少在1個電極上覆蓋有電介質［1－2］.由于DBD可以工作在近大氣壓及大氣壓條件下，并且具有電子溫度可方便調節、能量轉換效率高等優點，因此被廣泛用于臭氧合成［3－5］、聚合物表面改性、污染物控制［6－7］等諸多工業領域，并且有望在信息處理、材料的局域性生長及等離子體光子晶體等領域得到應用.而在大氣壓介質阻擋放電中，均勻放電是人們最為關注的放電模式.因為均勻等離子體應用于薄膜、紡織品等工業領域較非均勻等離子體有特殊的優勢.因此對均勻等離子體重要參數的研究，就顯得尤為重要.

微放電等離子體，是指將其空間特征尺度限制在亞毫米量級的等離子體.它與常規等離子體相比，出現了一些新的變化，比如更高的等離子體密度、更好的穩定性及由此帶來的其他新的特點和優勢.因此微放電等離子體為低溫等離子體開辟了一個嶄新和頗具吸引力的領域［7］.本工作在以前的實驗基礎上測量了微間距介質阻擋放電絲分布均勻時電子密度這一重要參量，對微間距介質阻擋放電實驗做了進一步的補充.

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，電極由裝滿水的2個平行玻璃管組成，管的內外直徑分別為1 cm和0.8 cm，管的長度為10 cm，兩管間的間距有螺旋測微器調節.整個電極放入密閉的反應室中，水電極連接到一個電壓調節范圍為（0～10 k V）且頻率為0～65 k Hz的高壓交流電源上.高壓交流電源輸出的波形由高壓探頭（Tektronix p6015A，1000X）測得，并輸入示波器（Tektronix TDS 3054，500 MHz）進行采集.50Ω的電阻用來測量電流信號.氣體放電發出的光經光纖（Fiber）導入光譜儀（ACTON SP－2758，CCD：1340×400 pixels），計算機控制采集光譜.放電照片由數碼相機（Canon Powershot G1：1024×768 pixels）記錄.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

2 實驗過程與討論

實驗研究了微間距介質阻擋放電均勻時的電子密度.將水電極裝置放于密閉容器中，調節氣體比例，氬氣的體積分數為80%，空氣的體積分數為20%，容器中的氣壓為大氣壓.放電氣隙間距為100μm.調節驅動電源，使得頻率控制在40 k Hz.當電壓高于擊穿域值時，產生放電.此時逐漸升高電壓，使得放電由絲模式變為均勻放電.對此過程中的放電電流及電壓進行跟蹤記錄，同時由電數碼相機拍攝放電照片.

實驗發現，隨著電壓的升高，當電壓高于擊穿域值2.59 k V時，出現絲狀放電，此時從放電測試電阻上得到的放電電流脈沖看上去不太明顯，如圖2 a；繼續升高電壓至3.25 k V時放電絲逐漸變亮，且放電絲的個數變多，從側面看很多的放電絲疊加在一塊，逐漸趨于均勻，此時放電脈沖個數變多，且脈沖的幅度變大，如圖2 b；繼續升高電壓時，放電絲增多疊加，這使得放電由絲模式變為均勻放電（U＝3.69 k V），此時的放電脈沖更多，聚集成一簇，且出現“過零放電”，如圖2 c所示.隨著外加電壓的升高，放電絲的數量變得越來越多，新增的放電絲產生在內建電場E（Q）較小的地方，即2個舊的放電絲之間.所以隨著放電絲數量的增加，就足以在狹縫區域內均勻分布，形成均勻模式的放電.

本工作通過光譜法計算了微間距介質阻擋均勻放電時的電子密度.由前期的工作得知［7］，大氣壓下van der Waals展寬大約為3×10－3nm.通過對光譜儀進行定標和測量儀器展寬，將測量譜線擬和，發現儀器展寬為Gaussian線型和Lorentzian線型的卷積，其中Gaussian展寬為1.67×10－2nm，Lorentzian展寬為2.38×10－3nm.

為了計算微介質阻擋放電形成均勻放電時的電子密度，需要估算電子溫度（Te）.實驗測得，頻率為40 k Hz時，微介質阻擋放電形成均勻放電時的電子激發溫度大約為3.97×103K，因此，估測電子溫度為1×104K或更高，并且在該電子溫度下計算了電子密度.

圖2 在不同的外加電壓下狹縫放電照片Fig.2 Slot discharge photos at different applied voltages

對微間距介質阻擋均勻放電時的電子密度的測量，是通過分析發射光譜的Stark展寬實現的.將光纖對準放電區域，當電壓升高到4.90 k V時，用光譜儀采集氬原子696.54 nm發射光譜，將光譜儀的中心波長定在696 nm附近，選用光譜儀的2.4×103G／mm光柵，其分辨率為0.01 nm.實驗中以λG，ωe，De和A為擬和參數，與實驗所測得的光譜線型進行擬和.由圖3中的卷積線型C可以看出，卷積的結果與實驗結果符合得很好.用2次反卷積，首先是將高斯線型和洛倫茲線型分離，然后將得到的洛倫茲線型分離出對稱的洛倫茲（van der Waals展寬：3×10－3nm與儀器展寬的洛倫茲部分：2.38×10－3nm）和非對稱的洛倫茲：Stark效應導致的譜線增寬.圖3給出的是微間距介質阻擋均勻放電中的反卷積結果即G－高斯線型和L－非對稱的洛倫茲線型.

圖3 介質阻擋微放電放電絲分布均勻時氬原子696.54 nm譜線反卷積的結果Fig.3 Deconvolution result for Ar I 696.54 nm spectral line profile when filaments homogeneously distribute in dielectric barrier microdischarge

Stark加寬是由等離子體中發光原子與帶電粒子的庫侖作用引起的，非氫原子主要是二次Stark效應，它導致譜線的展寬.Stark展寬ωt和譜線最大值處的Stark頻移d t，分別由下面2式表示［8－10］：

由于Stark展寬線型本質的不對稱性，譜線半高全寬處的頻移比譜線最大值處的頻移更準確，因此式（2）可改寫為

其中，ωe是電子碰撞加寬參數，de是電子碰撞頻移參數，α是離子碰撞加寬參數.它們都是電子溫度的函數［9］.

通過多次測量求平均值得介質阻擋微放電放電絲分布均勻時電子密度值約為8.79×1015cm－3，測量誤差約為10%.

3 結論

通過光譜法分析大氣壓氬氣和空氣混合氣體中氬原子696.54 nm發射譜線中的Stark展寬，在電子溫度為1×104K時，估算了微間距介質阻擋放電放電絲分布均勻時電子密度值約為8.79×1015cm－3.該結果對大氣壓下微間距介質阻擋放電的均勻放電特性研究作了進一步的補充，并對人們深化認識微間距介質阻擋放電機制具有一定的參考意義.

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Electron Density in a Slot Dielectric Barrier Discharge

LüYing－hui，DONG Li－fang，LIU Wei－yuan
（College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China）

Homogeneous slot plasma is realized in atmospheric pressure argon and air mixture by using dielectric barrier discharge device with two parallel water electrodes.The electron density of homogeneous slot plasma is studied by using the spectrum method.The spectrum line of Ar I 696.54 nm is measured，and Stark broadening is separated by using a procedure of deconvolution.It is found that the electron density in homogeneous slot plasma is approximately 8.79×1015cm－3.

dielectric barrier discharge；stark broadening；electron density

O 484

A

1000－1565（2011）03－0254－04

2010－05－23

國家自然科學基金資助項目（10775037）；河北省自然科學基金資助項目（A2008000564）

呂英輝（1979－），女，河北曲陽人，河北大學在讀碩士研究生.

E－mail：lvyinghui3＠126.com

孟素蘭）