大氣壓氦氣同軸雙氣隙介質阻擋輝光放電研究

張玉坤，李 蘭，王廣宇，陳 夢

（航天工程大學 激光推進及其應用國家重點實驗室，北京 101416）

0 引言

近年來，非平衡等離子體助燃技術在輔助點火、增強火焰穩定性等方面展現出極大潛力[1]。與平衡等離子體相比，非平衡等離子體的電子溫度較高，中性氣體溫度較低，在輔助燃燒上活性較強[2]。大面積均勻等離子體的產生是定量的研究非平衡等離子體助燃的基礎，也是非平衡等離子體技術推向大規模實際應用的前提[3]。

當前，等離子體多采用氣體放電方法產生。傳統意義上的非平衡等離子體大多是低氣壓非平衡等離子體[4]。在氣壓較高的環境中，氣體分子間的平均自由程較短，質量較大的粒子難以獲得足夠的加速，放電均勻性和穩定性較低[5]，易發展為火花放電或電弧放電。

介質阻擋放電（DBD）是有絕緣介質置于放電空間的一種氣體放電[6]，能夠在較大的氣壓和頻率范圍內產生大氣壓非平衡等離子體。常見的介質阻擋放電反應器的電極形式主要包括平板型和同軸圓柱型，絕緣介質的放置位置主要包括覆蓋在電極表面和懸掛在放電空間兩種類型[7]。大氣壓下，介質阻擋放電的常見形式為絲狀流注放電，惰性氣體在一些特定的條件下可實現輝光形式[8]。通過研究惰性氣體的大氣壓輝光現象，有助于探究大面積均勻等離子體生成機理，為非平衡等離子體助燃實驗研究和工程應用做基礎工作。

本文利用一種新型的針-管同軸圓柱型雙氣隙介質阻擋放電結構，對氦氣進行了氣體放電實驗。獲得了放電演化過程圖像、電流電壓波形以及光譜信息，分析了氦氣的大氣壓輝光放電過程，發現了一些有意義的現象和規律。

1 實驗系統和實驗方法

1.1 實驗系統

實驗系統主要包括介質阻擋放電反應器、高頻高壓交流電源、電壓電流測量設備、光學測量設備和光譜儀五部分。實驗系統組成如圖1所示。

圖1 介質阻擋放電等離子體實驗系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實驗中使用的介質阻擋放電反應器為具有雙層放電氣隙的同軸圓柱型結構，如圖2、圖3所示。反應器主要由外電極、內電極、絕緣介質（石英玻璃管）組成。銅管與內部的石英玻璃管構成同軸管道，外電極（負極）為最外層銅管，內電極（正極）為銅桿，放置于石英玻璃管內同軸管中心處。石英管與銅針之間構成第一層放電氣隙，石英管與銅管之間的間隙為第二層放電氣隙。銅管內徑為D1=27mm；石英管外徑D2=22mm，內徑D3=20mm，壁厚為1mm；銅桿直徑1.5mm，長度為100mm。實驗中氣流通過放電區域后被擊穿產生非平衡等離子體。介質阻擋放電反應器實物如圖4所示。

圖2 介質阻擋放電反應器側向結構示意圖Fig.2 Side view of DBD reactor

圖3 介質阻擋放電反應器軸向結構示意圖Fig.3 Dielectric view of DBD reactor

圖4 介質阻擋放電反應器實物圖Fig.4 Real DBD reactor

實驗使用的高壓電源由南京蘇曼電子有限公司生產，型號為：CTP-2000K，電源的頻率范圍為：1kHz～100kHz，頻率可調范圍30%，輸出電壓0～30kV。放電外加電壓和電流通過高壓探頭和電流互感器測量，實驗中高壓探頭由美國Tektronix公司生產，上升時間為14ns，帶寬75MHz，最大輸入電壓為DC20kV，單脈沖峰值40kV。采集到的電流和電壓信號由示波器存儲顯示，示波器是由美國Tektronix公司生產，具有四個可選通道，可對動態信號進行采集分析。該示波器的帶寬為500MHz，取樣頻率為5.0GS/s。放電圖像由數碼相機和高速相機記錄。實驗使用了Vision Research公司的彩色高速相機Phantom V711，對放電過程實現高速連續拍攝。本文使用了AvaSpec多通道光纖光譜儀，可在寬光譜范圍內實現高分辨率測量，并且能夠實現在過程控制中同時進行多次測量。實驗中使用的光譜儀具有8個通道，可測量波長范圍為197nm～1082nm，波長分辨率為0.03nm。

1.2 實驗方法

利用前述實驗系統，在大氣壓下對氦氣和氦/氧混合氣進行介質阻擋放電實驗。調節高頻高壓交流電源，固定放電頻率在12kHz附近，調節變壓器改變施加在介質阻擋放電反應器上的電壓，使電壓由0開始逐漸升高，利用高壓探頭測量兩電極之間的電壓，利用電流互感器測量電流，并利用數字示波器記錄、保存其電流電壓波形。由數碼相機記錄放電直接圖像，由高速相機記錄放電演化過程及細節，利用光譜儀采集光譜信號。實驗中，在同軸管的內外兩個同軸管道內均通入純度為99.999%的高純氦，體積流量均為4L/min。

2 結果與分析

氦氣的大氣壓同軸介質阻擋放電圖像如圖5所示，圖中（a）～（d）施加電壓逐漸升高。

圖5 大氣壓氦氣介質阻擋放電圖像Fig.5 Images of Helium atmospheric coaxial DBD

圖像顯示，氦氣在該結構中發生放電，發出較為明亮紫色輝光，均勻覆蓋整個電極及石英介質。在徑向由正極（管軸）到負極（管壁）具有明顯的分層現象。放電剛剛發生時，輝光集中出現在正極尖端，發光較為微弱，放電形態接近電暈放電。隨著電壓的增大，正極輝光強度增大，同時，負極和介質表面出現暗淡的輝光層；隨著電壓繼續增大，正極、負極和介質附近的發光層亮度和厚度不斷增大。整個電壓升高過程中，放電空間內沒有出現明暗相間的放電細絲，表明這種放電在空間上是均勻的。測得施加電壓和電流變化曲線如圖6所示。

圖6 大氣壓氦氣介質阻擋放電電流電壓波形Fig.6 Atmospheric pressure helium DBD current voltage waveform

伏安特性曲線顯示，在一個放電周期內，電壓首先按照正弦曲線的形式逐漸升高，當升高到一定值時，電壓曲線存在一個明顯的斷崖式下降，與此同時電流波形出現一個較寬的脈沖，即在此時刻氣體發生了擊穿。在電流脈沖結束后，電壓繼續按照正弦曲線上升至最大值。在負半周期過程中無脈沖出現。在一定的外加電壓下，脈沖電流出現位置及其寬度、峰值是固定的，這表明介質阻擋層之間的氣體在大面積的區域同時擊穿，該種放電形式的電壓電流波形符合典型的大氣壓介質阻擋均勻放電特征。

電流電壓波形在正負半周期表現出的強非對稱性，與傳統的平板介質阻擋輝光放電，以及單放電氣隙的同軸介質阻擋放電都存在明顯不同。其原因可能與該種介質阻擋放電反應器結構的非對稱性有關。在該結構中，外電極與石英玻璃介質間隙為3.5mm，內電極與石英玻璃介質的間隙為9mm，使得放電氣隙的場強大小有較大不同，因此負半周期沒有脈沖電流出現。

為了更清晰的反應放電特性，將電源頻率調整為10kHz，利用高速相機記錄了放電演化過程如圖7所示。高速相機像素設置為 400×400，曝光時間 31.89μs，拍攝頻率 31000fps。圖中（a）～（f）為連續記錄的 6 張圖像，時間間隔為32μs。圖8是從大量圖像中不連續的選取了放電過程的不同時刻圖像，更加詳細的反映了放電過程，高速相機像素設置為512×512，曝光時間39.65μs，拍攝頻率25000fps。

圖7 放電連續過程Fig.7 Continuous discharge process

由高速相機記錄的圖7和圖8可以觀察到放電由陽極開始并沿徑向擴展過程。放電初始階段，在陽極附近出現一個較弱的發光層，此時的放電現象符合電暈放電的特征；隨著放電發展，發光層的亮度在某一時刻達到峰值，隨即迅速向陰極移動，并在陰極附近形成一個發光層，即負輝光層，如圖8（d）所示。這時氣隙從陰極到陽極可分為如下幾個區域：負輝光區、法拉第暗區、等離子體正柱區、陽極暗區，這種分層結構基本符合低氣壓輝光放電特征。因此可將該種放電形式的演化過程概括為從電暈放電起始逐漸發展為輝光放電的過程。據此可以判斷大氣壓氦氣同軸介質阻擋放電的放電形式為大氣壓輝光放電。

圖8 放電演化過程Fig.8 Discharge evolution process

進一步利用光譜儀測量了混合氣的發射光譜。由于探頭只能從反應器軸向進行測量，放電發出的光相當于一個閃爍光源，且亮度較低，探頭進光量很小。因此必須延長積分時間才能精確的檢測的特征譜線，實驗中積分時間為5s。延長積分時間也不可避免的使得背景光的譜線強度增大，因此將平均次數設置為20次，以減小誤差。

圖9為氦氣激發產生的等離子體發射光譜圖，測得發射光譜的譜線主要集中在550～800nm范圍內。通過分析得到實驗中介質阻擋放電反應器的發射光譜主要包括He（587.5nm、667.8nm、706.5nm），706.5nm 是整個 He發射光譜中最強最穩定的譜線。

圖9 He放電光譜Fig.9 He discharge spectrum

706.5nm 譜線是 He 原子由 He（33S1）階躍到 He（23P1）時發出的，He原子從基態直接激發到He（33S1）態需要22.72eV的能量，可通過電子直接碰撞或者反應1產生：

其中 He2+由反應（2）和（3）產生：

在低氣壓情況下，由于電子的能量較高，電子的直接碰撞起主要作用[9]。而在大氣壓氦氣中，反應式（2）和（3）發生的頻率非常高，對He原子706.5nm譜線的產生起重要作用。

3 結論

本文利用雙氣隙同軸介質阻擋放電結構對大氣壓下流動的氦氣進行了介質阻擋放電實驗研究，得到了以下結論：

（1）大氣壓下，氦氣在同軸介質阻擋結構中可實現均勻放電，其放電形式為輝光放電。氣體放電在電極表面大面積同時擊穿，放電空間內無絲狀流注結構。 由高速相機記錄圖像分析可知放電過程為由電暈放電開始，逐漸向輝光放電演化過程。

（2）放電過程在正負半周期具有明顯的不對稱性，電流脈沖僅出現在放電的正半周期，該現象與介質兩側氣隙寬度的不對稱性有關。

（3）光譜分析表明，706.5nm譜線是放電光譜中最強譜線，氦氣放電激發產生了高能亞穩態He（33S1）。

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