亮暗點蜂窩斑圖中等離子參量的光譜測量

王謙,張浩,董麗芳,馮建宇,魏領燕

(河北大學物理科學與技術學院，河北保定　071002)

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亮暗點蜂窩斑圖中等離子參量的光譜測量

王謙,張浩,董麗芳,馮建宇,魏領燕

(河北大學物理科學與技術學院，河北保定071002)

摘要：在純空氣或者空氣-氬氣混合氣體介質阻擋放電裝置中，觀察到由中心點、頂點和連線組成的亮暗點蜂窩斑圖.3套結構呈現出了不同的亮暗狀態，表明它們的等離子狀態和參數可能不同.本工作利用發射光譜法，研究了其分子振動溫度和轉動溫度隨氬氣體積分數的變化情況.結果表明：在同一條件下，分子振動溫度由低到高依次為中心點、頂點、連線，而轉動溫度則幾乎相同.隨著氬氣體積分數的增加，3套結構的分子振動溫度都呈下降趨勢,轉動溫度則變化不大.

關鍵詞：介質阻擋放電；亮暗點蜂窩斑圖；分子振動溫度；分子轉動溫度

1實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示，2個內徑為65 mm的圓柱形容器，它的兩端用厚度為1.5 mm的玻璃片封住，并且充滿水.水作為液體電極,玻璃板作為介電層,兩電極之間放置一個圓形的玻璃邊界,每個水電極內各有一個金屬環浸在水中,并且各自從一端引出與高壓交流電源兩極相連.整套雙水電極裝置放在一個密閉的腔內，這個腔的氣壓和氣體成分以及交流電源的頻率都是可以調節的.峰值電壓 0～10 kV，頻率 0～100 kHz.實驗中，氬氣體積分數從0增加到20%，每增加5%，分別對3套結構的等離子參量進行采集.電壓電流波形的實驗數據通過示波器來記錄(Tektronix TDS 3054B).用曝光時間為25 ms數碼相機(Konica Minolta Dimage Z2)在一側對斑圖進行拍攝.氣體放電發出的光通過透鏡成像后，利用光纖探頭將不同位置的光導入光譜儀(ACTON ADVANCED SP 2750A，CCD：1340×400 pixels，光柵：300 G/mm，2 400 G/mm，)由計算機采集分析后進行存儲.

2結果與討論

圖2所展示的是在雙水電極介質阻擋放電中，觀察到的亮暗點蜂窩斑圖，該斑圖單個晶胞主要包括中心點、頂點以及連線，其中實驗參數為：直徑D=2.5 cm圓形放電區域,放電間隙d=2.8 mm，氣體壓強p=15 kPa，純空氣條件下，外加電壓U=3.04 kV,頻率f=53 kHz.圖2中心點a最亮，直徑也比較大，頂點b次之，最弱的是連線c.由此，可以推測，這3套結構處于不同的等離子狀態.

圖1　實驗裝置 圖2　亮暗點蜂窩斑圖Fig.1　Schematic diagram of the experimental setupFig.2　Bright and dark dot Honeycomb pattern in dielectric barrier discharge

為了得到氮分子的振動溫度，選擇光譜儀的300 G/mm光柵，在360～420 nm內，采集了氮分子第2正帶系(C3∏u→B3∏g)譜線，如圖3所示，通過觀察可以發現，中心點a的強度最大，頂點b和連線c的強度比較小，a幾乎是b或c的5倍.計算中，為了減小計算以及擬合的誤差，選取2組振動序帶：(0～2,1～3,2～4)和(0～3,1～4，2～5).結果顯示：在同一條件下的亮暗點蜂窩斑圖中(氬氣體積分數為0時)，中心點的分子振動溫度最低(2 520 K)，頂點的高些(2 720 K)，連線處的溫度最高(2 840 K).圖4給出了亮暗點蜂窩斑圖中3套子結構的分子振動溫度隨氬氣體積分數的變化曲線，保持其他實驗參數不變的情況下，只改變氬氣體積分數，分別對a、b和c的分子振動溫度進行測量，結果發現，3套結構的分子振動溫度隨氬氣體積分數的升高均減小.

a.中心點；b.頂點；c.連線.　　　　　　　　　　　　　　　　a.中心點；b.頂點；c.連線.　　圖3　a、b、c點 在360～420 nm的發射光譜　　　　　圖4　a、b、c點的分子振動溫度隨氬氣體積分數的變化曲線　　Fig.3　Optical emission spectra of a,b and c　　　　　Fig.4　　　　Variations of the vibrational temperature of a,b and c　　　　　respectively in the range of 360～420 nm　　　as a function of argon volume fraction

a.中心點;b.頂點;c.連線.　　　　　　　　　　　　　　　　　　a.中心點;b.頂點;c.連線.　圖5　介質阻擋放電中的氮分子離子第1負帶隙轉動譜　　　圖6　a、b、c點的轉動溫度隨氬氣體積分數的變化曲線　Fig.5　First negative(0,0) rotational lines of 　　　　　　Fig.6　　　　Variations of the rotational temperature of a,b　　　　　　observed in dielectric barrier discharge　　　and c as a function of argon volume fraction

3結論

在空氣或者氬氣/空氣的混合氣體條件下的雙水電極介質阻擋放電裝置中，都能觀察到由中心點，頂點及連線組成的亮暗點蜂窩斑圖.采用發射光譜法，研究了亮暗點蜂窩斑圖中3套結構的等離子體參量以及隨氬氣體積分數的變化關系.實驗發現：在同一條件下，中心點的分子振動溫度最低,頂點的高些，連線的分子振動溫度最高，這3套結構的轉動溫度幾乎相同.氬氣體積分數從0變到20%時3套結構的分子振動溫度呈下降趨勢，而轉動溫度則幾乎不變.上述結果為亮暗點蜂窩斑圖的等離子體參數研究提供了基礎數據，對亮暗點斑圖的形成機制的研究有重要意義.

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(責任編輯：孟素蘭)

Measurement of plasma parameters in bright and dark dot honeycomb pattern

WANG Qian,ZHANG Hao,DONG Lifang,FENG Jianyu,WEI Lingyan

(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

Abstract:The bright and dark dot honeycomb pattern composed of center spot,vertex and spot of the line can be observed in a dielectric barrier discharge(DBD) device filled with air or its mixture with argon.The brightness of the three sets of structures is different.It indicates that the parameters and the states of the plasma may be different.The molecular vibrational temperatures and the rotational temperatures of the three sets of structures are measured by using optical emission spectra under different argon concentration.The results show that the sequence of the molecular vibrational temperatures from the highest to the lowest is the spot of the line,the vertex,the center spot.The rotational temperatures of them remain constant.The vibrational temperatures of the three sets of structures decrease with the rising of the argon concentration while the rotational temperature changes little.

Key words:dielectric barrier discharge;bright and dark dot honeycomb pattern;molecular vibrational temperature;rotational temperature

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2016.01.004

收稿日期：2015-07-14

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11175054)；河北省科技廳重點項目(11967135D)；河北省教育廳重點項目(ZD2010140)

通信作者：董麗芳(1963—)，女，河北保定人，河北大學教授，博士生導師，主要從事光學診斷與等離子體物理方面的研究.

中圖分類號：O461.2

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1565(2016)01-0017-04

第一作者：王謙(1989—)，女，河北石家莊人，河北大學在讀碩士研究生.E-mail:wqywzwq214215@163.com

E-mail:donglf @hbu.edu.cn