介質阻擋放電中等離子體子彈的速度

李雪辰，趙歡歡，劉潤甫，常媛媛

（河北大學 物理科學與技術學院，河北省光電信息材料重點實驗室，河北 保定 071002）

氣體放電產生的低溫非平衡態等離子體存在著大量的活性粒子，因此在生產生活中具有廣泛的應用.例如，可以用于材料蝕刻［1］、表面處理［2］、臭氧合成［3］、水處理［4］、殺菌消毒等［5－6］.介質阻擋放電（DBD）是產生低溫非平衡態等離子體的有效方法.

對氣體放電而言，在不同的氣壓（p）以及不同的氣隙間距（d）下會產生不同的放電模式，即pd值決定擊穿機制.在pd值較低的情況下為Townsend擊穿機制，高pd值下為流光擊穿機制［7］.Choi等人［8］利用平行平板DBD裝置研究了氮氣中不同pd值的放電現象，發現改變pd值放電可以在輝光模式與流光模式間進行轉換.Chu和Huang［9］利用平行平板DBD研究了在大氣壓空氣中的放電，發現隨著d的不斷減小，放電由隨機放電絲、固定放電絲、星狀放電絲、快速移動放電絲轉變為彌散放電.與平行平板實驗裝置相比針板放電裝置可以實現大氣壓下較長間隙的穩定放電.例如，Machala等［10］在大氣壓空氣中采用針板直流放電裝置，通過改變放電回路的負載電阻在d值為6mm的情況下發現放電有流光電暈模式、輝光放電模式以及火花放電模式.Sun等人［11］利用針板DBD裝置在大氣壓下以氦氣為工作氣體研究了d值為15mm的放電，發現放電處于輝光模式.通過亞微秒曝光時間ICCD拍攝放電發展過程，發現放電在針電極上形成等離子體柱，并且等離子體柱會在板電極表面擴展成圓盤狀的等離子體（圓盤直徑最大可達50mm）.Qi等人［12］研究了d值為8mm的大氣壓氬氣針板DBD，發現放電由針板間的流光通道和周圍的電暈放電現象組成，并通過放電的電磁輻射對2種放電模式的等離子體離子密度進行了研究.筆者利用大氣壓針板DBD放電裝置在2.5mm氬氣間隙下［13］，發現放電處于輝光模式，并研究了不同氣壓下等離子體直徑隨外加電壓的變化關系.

以上研究中雖然能夠在較長間隙中產生穩定放電，但工作氣體多為惰性氣體.從應用角度而言，在大氣壓空氣中產生低溫等離子體能夠使裝置簡單化，降低生產成本.對于大氣壓長間隙空氣放電一般認為是流光擊穿，在這種情況下放電以發光光層的形式（稱為等離子體子彈）傳播.例如，Lu等人［14］利用噴槍裝置通入氦氣使用脈沖電源激勵在大氣壓下放電產生等離子體羽，發現等離子體羽是以等離子體子彈形式傳播，并用光電離理論對低電場下等離子體子彈的成因進行了解釋.Kim等人［15］利用氬氣同軸電極放電裝置，研究了等離子體子彈的光電特征，并估算等離子體子彈的速度量級為104m／s.利用單針裝置研究大氣壓空氣放電中的等離子體子彈，發現等離子體子彈的速度量級為105m／s［16－17］.雖然大氣壓放電產生的等離子體羽和等離子體子彈已經有了一定的研究，但利用針板DBD裝置產生大氣壓長間隙空氣放電等離子體羽及等離子體子彈速度研究，未見報道.為此，本工作利用針板DBD裝置，采用光學方法對大氣壓長間隙空氣DBD等離子體羽特性和等離子體子彈傳播速度進行研究.

1 實驗裝置

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

實驗裝置如圖1所示，其中放電裝置為針板DBD結構.針電極由金屬鎢制作而成，直徑1.5mm的鎢針長為30mm.鎢針電極針尖的直徑分別約為0.1，0.2和0.3mm.水電極為平板電極.水電極上覆蓋石英玻璃作為放電的阻擋層，針尖與石英玻璃之間的距離可以調節.電源產生40kHz的正弦信號輸出，鎢針電極與高壓輸出相連.電源輸出的電壓通過高壓探 頭 （Tektronix P6015A）測 量，并 用 示 波 器 （Agilent DSO6054A）顯示和存儲.該示波器有4個通道，可以同時記錄4個信號.利用光電倍增管（ET 9085SB）對光信號進行測量，光電倍增管即可以收集全部放電的發光，即測量總發光信號，又可以對放電發光進行空間分辨測量.對于空間分辨測量，利用凸透鏡成像后，在像平面位置的光闌選擇某位置放電發光信號后進入光電倍增管，這樣每個光電倍增管可以測量放電區域直徑約1mm的光信號（部分光信號）.利用2個部分光信號對應空間距離除以光信號的時間延遲可以獲得等離子體子彈的傳播速度.放電發光經凸透鏡匯聚后進入光譜儀（ACTON SP2758，CCD：1340×400 pixels），放電發射光譜可以通過電腦顯示并存儲.利用數碼相機（Canon EOS 7D）拍攝放電照片，曝光時間為40ms.

2 實驗結果與討論

圖2為針板間距3cm時針板之間針尖所產生的等離子體羽放電長度隨峰值電壓UP變化照片，其中針尖在0位置.由圖可知，隨著UP的變化等離子體羽長度也發生變化.在剛達到擊穿電壓時，放電發生在針尖處很小的區域，此時為電暈放電.隨著外加電壓的升高，放電區域增大，亮度增強.外加電壓約為12.7kV，放電在針板之間區域突然增長，形成等離子體羽，如圖2a所示.該等離子體羽與等離子體針放電產生的等離子體羽形狀相似［16－17］.隨著UP的增加，等離子體羽長度減小，如圖2b所示.當外加電壓約為14.8kV時，等離子體羽長度再次突然增長，如圖2c所示.隨著外加電壓的增加，等離子體羽長度會再次減小，如圖2d所示.當外加電壓約為16.2kV時，等離子體羽長度出現第3次突然增長.此后隨著外加電壓的增加，等離子體羽長度逐漸增長，直至達到2個電極之間的距離，如圖e，f所示.因此，在等離子體羽放電過程中隨著UP的升高，等離子體羽長度會呈階段性增長，而等離子體針產生的等離子體羽長度隨電壓增大單調增加［17］.

圖2 針板間距3cm不同峰值電壓UP下的放電照片Fig.2 Interval 3cm between the needle tip and the plate with various discharge images under serial UP

圖2a對應的總發光信號波形如圖3所示.由圖可知，當UP約為12.7kV時在外加電壓正半周期的上升沿出現1個放電脈沖，脈沖寬度約為160ns.研究發現隨著UP的升高，放電脈沖會出現時刻前移.

圖3 峰值電壓UP＝12.7kV的總發光信號的波形Fig.3 Waveforms of the total light emission under UP＝12.7kV

利用光電倍增管對放電發光進行空間分辨測量，發現大氣壓長間隙空氣DBD也是以發光光層（等離子體子彈）的形式進行傳播.為了研究等離子體子彈的速度（利用2個部分光信號對應空間距離除以光信號的時間延遲獲得等離子體子彈的傳播速度）分布，對不同空間位置等離子體子彈速度進行了研究.圖4為外加電壓正半周期單個脈沖針尖直徑Φ＝0.1mm時等離子體子彈的速度的空間分布.從圖4可以看出長間隙DBD放電中等離子體子彈的速度量級為105m／s.這與噴槍以及單針等離子體子彈的傳播速度量級一致［16－18］.圖4a給出了針板間距d＝2.5cm時的等離子體子彈速度空間分布.從圖4a中可以看出，同一空間位置在UP＝12.7kV時的等離子體子彈速度大于UP＝13.7kV時的等離子體子彈速度，并且在同一電壓下等離子體子彈速度隨著距離針尖距離的增加而減小.圖4b為針板間距d＝4.5cm時的等離子體子彈速度空間分布，等離子體子彈速度的空間分布與圖4a相似，同一位置處外加電壓高的等離子體速度比外加電壓低的等離子體速度慢，并且在同一電壓下離針尖越遠的位置等離子體速度越慢.從圖4a和圖4b中可以看出，在UP＝13.7kV的情況下針板間距大的等離子體子彈的速度大于針板間距小的等離子體子彈的速度.

圖4 不同針板間距等離子體子彈速度的空間分布Fig.4 Velocity distribution of the plasma bullet in space with different intervals

圖5給出了針板間距d＝4.5cm峰值電壓UP＝14.8kV不同直徑針尖放電產生的等離子體子彈速度的空間分布.從圖中可以看出，針板間距為4.5cm且相同外加電壓情況下，不同的針尖直徑放電產生的等離子體子彈速度也不相同.針尖直徑越大等離子體子彈速度也越大，并且距針尖越近不同針尖直徑放電產生的等離子體子彈速度差別越大，隨著遠離針尖等離子體子彈速度趨于相等.

圖5 不同針尖直徑Φ（0.1，0.2，0.3mm）的等離子體子彈速度空間分布Fig.5 Changing curves belonging to the velocity distribution of the plasma bullet in space depending on various diameters of needle tipsΦ（0.1，0.2，0.3mm）

利用光譜儀對大氣壓長間隙空氣介質阻擋放電產生的等離子體發射光譜（300～850nm）進行了測量，如圖6所示.從圖中可以看出，放電等離子體發射光譜中存在OH譜帶（在309nm附近）和O原子譜線（777.4nm）.OH自由基309nm的譜線帶系源于A2Σ＋（v′＝0）→XⅡ（v″＝0）躍遷，O原子777.4nm譜線是氧原子的一個2p電子被激發后從3p態躍遷到3s態產生的，相應的原子譜線項是5p→5s0.OH自由基譜帶和O原子譜線的出現，表明在大氣壓長間隙空氣介質阻擋放電等離子體中產生活性粒子，這些活性粒子常用于表面處理、殺菌消毒、水處理等方面，從而表明該放電在生物醫療領域具有潛在的應用價值.

圖6 大氣壓長間隙介質阻擋放電300～850nm的發射光譜Fig.6 Emission spectrum between 300—850nm of the long distance dielectric barrier discharge in atmosphere

3 結 論

對大氣壓長間隙空氣介質阻擋放電產生的等離子體羽特性和等離子體子彈速度進行了研究.結果發現，在等離子體羽放電過程中隨著UP的升高，等離子體羽長度呈階段性增長.利用光電倍增管采集光信號，通過2個部分光信號對應空間距離除以光信號的時間延遲計算了等離子體子彈的傳播速度，等離子體子彈速度的量級為105m／s.對等離子體子彈速度的空間分布研究發現，同一電壓下，隨著距針尖距離的增加，等離子體子彈速度減?。煌晃恢锰?，外加電壓高時的等離子體子彈速度小于外加電壓低時的等離子體子彈速度；相同電壓下，針板間距大的等離子體子彈速度大于針板間距小的等離子體子彈速度；針尖直徑不同在相同電壓時，同一位置處的等離子體子彈速度隨著針尖直徑增大而增大，并且隨著遠離針尖等離子體子彈速度趨于相等.利用光譜儀對大氣壓長間隙空氣介質阻擋放電產生的等離子體發射光譜（300～850nm）進行了測量，發現放電等離子體中存在OH自由基、氧原子等多種活性粒子，該放電研究在生物醫療領域具有潛在的應用價值.

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