強(qiáng)電離放電和電暈放電兩種情況下電場強(qiáng)度對離子濃度的影響分析

周建綱，胡楓

（1. 大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622；2. 南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

目前大氣壓非平衡等離子體已在化工工業(yè)領(lǐng)域有所應(yīng)用[1-2]，其中形成規(guī)模的是臭氧商業(yè)生產(chǎn)[3]，在其它工業(yè)領(lǐng)域上也有很多重要應(yīng)用，包括材料表面改性、靜電除塵器、靜電復(fù)印、靜電噴涂、靜電植絨及靜電選別等。由于現(xiàn)有工業(yè)上常用的等離子體源多采用的是直流電暈放電、脈沖電暈及一般的介質(zhì)阻擋放電，源內(nèi)等離子體濃度低，因而制約了其被更加廣泛地應(yīng)用。理想效果的強(qiáng)電離放電大氣壓非平衡等離子體源，則是一個集高的效率和高的非平衡度于一體的放電裝置。研究成果表明，強(qiáng)電離放電大氣壓非平衡等離子體源輸出的等離子體濃度已達(dá)到1010/cm3以上[4-5]，這接近了工業(yè)、國防軍事等領(lǐng)域?qū)Φ入x子體濃度的要求。本文將強(qiáng)電離放電和電暈放電兩種情況下電場強(qiáng)度對離子濃度的影響進(jìn)行了對比分析。

1 實(shí)驗(yàn)研究強(qiáng)電離放電的電場強(qiáng)度對離子濃度的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental flow

1.2 實(shí)驗(yàn)所用主要儀器

實(shí)驗(yàn)所用主要儀器如圖2、圖3所示，包括空氣壓縮機(jī)、過濾器、空氣流量控制閥、流量計(jì)、氣體均速器；壓力表、 高頻高壓電源、大氣壓非平衡等離子體源、電參數(shù)檢測系統(tǒng)、離子濃度檢測儀等。自制的大氣壓非平衡等離子體源，管長有24.0 cm和21.3 cm兩種，外徑為3.85 cm；放電間隙（高）有1.00 mm和0.64 mm兩種，放電間隙的寬度在5～6 mm之間不等，長度30 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備照片（a）Fig.2 The experimental equipment photo

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備照片（b）Fig. 3 The experimental equipment photo

1.3 離子濃度與電場強(qiáng)度的關(guān)系

本文中離子濃度是指（順氣流方向）距大氣壓非平衡等離子體源10 cm處的離子濃度。折合場強(qiáng)是放電電極與介質(zhì)阻擋陶瓷（Al2O3）片之間放電間隙中的折合場強(qiáng)，即放電間隙流動空氣的電場強(qiáng)度與空氣分子數(shù)密度的比值。用Q表可以測量到放電極與接地極之間的外加交流激勵電壓Uext，外加激勵電場強(qiáng)度

其中ds和dg分別為電介質(zhì)層的厚度和氣體放電間隙的厚度；εr為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)；氣體的相對介電常數(shù)近似地取作1。進(jìn)而可得到折合場強(qiáng)Ered。

其中n0空氣被電離前氣體分子的平均數(shù)密度。本實(shí)驗(yàn)所用的介質(zhì)阻擋層厚度和放電間隙均為0.64 mm，高電壓發(fā)生器輸出激勵電壓的頻率為10 kHz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1及圖4。

表1 折合場強(qiáng)對離子濃度影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 The experimental data of the reduced field intensity influence on ionic concentration（108/cm3）

圖4 折合場強(qiáng)對離子濃度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 The experimental result of the reduced field intensity influence on ionic concentration

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)空氣流量一定時，離子濃度隨著折合場強(qiáng)增大而增大；隨著空氣流量的增大，這種關(guān)系依舊保持著，只不過它們的關(guān)系曲線在圖中的位置向上移了，這說明對應(yīng)于同一個折合電場強(qiáng)度，離子濃度隨著空氣流量的增大而增大。這可解釋為在其它條件都不變的情況下，空氣流量的增加意味著空氣分子平均動量Pa的增加，即離子平均動量在空氣流速方向分量PV的增加。結(jié)論是當(dāng)空氣流量為某一定值時，在不發(fā)生阻擋介質(zhì)（陶瓷Al2O3片）被擊穿的前提下，輸出的離子濃度隨著電場強(qiáng)度的增大而增大。

2 實(shí)驗(yàn)研究電暈放電的電場強(qiáng)度對離子濃度的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)流程及所用主要儀器

實(shí)驗(yàn)流程見圖1。實(shí)驗(yàn)所用儀器除大氣壓非平衡等離子體源外，與2.2實(shí)驗(yàn)所用儀器相同。本實(shí)驗(yàn)電暈放電大氣壓非平衡等離子體源是由4個金屬材質(zhì)結(jié)構(gòu)相同氣體通道上下疊放組成，每個氣體通道長度為10 cm ，寬度為17 cm，高度為1.5 cm。每個氣體通道內(nèi)均為板線形式組成的電暈放電結(jié)構(gòu)，每個氣體通道內(nèi)都有6 根電暈線等間距平行放置，線的直徑為0.1 mm，異極距（板線間距）為0.75 cm ，相鄰兩板間距為1.5 cm。

2.2 離子濃度與電場強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)是在0.1016 MPa 氣壓下進(jìn)行的，高電壓直流電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為0～26 kV。由于我們對電暈放電大氣壓非平衡等離子體源研究較早，本文沿用了“離子輸運(yùn)項(xiàng)”一詞來表示大氣壓非平衡等離子體源輸出等離子體濃度。離子輸運(yùn)項(xiàng)是指單位長度上輸出的離子平均濃度與氣體流速乘積的增量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2及圖5。

表2 折合場強(qiáng)對離子輸運(yùn)項(xiàng)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of the reduced field intensity influence on ionic transportation term（1010/cm3·s）

圖5 折合場強(qiáng)對離子輸運(yùn)項(xiàng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 The experimental result of the reduced field intensity influence on ionic transportation term

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，外加激勵折合電場強(qiáng)度對離子輸運(yùn)項(xiàng)的影響度隨氣體流速的增大而發(fā)生著變化。從圖5中氣體流速為5 m/s和10 m/s的曲線能夠看出，當(dāng)氣體流速較小時，離子輸運(yùn)項(xiàng)隨著折合電場強(qiáng)度Ered的增長比較平穩(wěn)，平均增長率較小。而從氣體流速為25 m/s的曲線能明顯看出，當(dāng)氣體流速較大時，外加激勵折合電場強(qiáng)度Ered對離子輸運(yùn)項(xiàng)影響在不同區(qū)域是不同的。Ered在15.0 Td～17.5 Td區(qū)間段,相應(yīng)離子輸運(yùn)項(xiàng)平均增長率較小；Ered在17.5Td～22.5Td區(qū)間段,相應(yīng)離子輸運(yùn)項(xiàng)平均增長率較大；Ered在25.0 Td ～40.0 Td區(qū)間段，相應(yīng)離子輸運(yùn)項(xiàng)平均增長率較小。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究表明：（1）強(qiáng)電離放電大氣壓非平衡等離子體源輸出的等離子體濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電暈放電大氣壓非平衡等離子體源電場強(qiáng)度輸出的等離子體濃度（可由離子輸運(yùn)項(xiàng)換算得來）。（2）強(qiáng)電離放電離子濃度隨著折合場強(qiáng)增大而增大。（3）電暈放電時，當(dāng)氣體流速較小時，離子輸運(yùn)項(xiàng)隨著折合電場強(qiáng)度增大其增長率較小。而氣體流速較大時，電場強(qiáng)度對離子輸運(yùn)項(xiàng)的影響度在不同區(qū)域是變化著的，電場強(qiáng)度在某個區(qū)域范圍會出現(xiàn)離子輸運(yùn)項(xiàng)隨著折合電場強(qiáng)度增大其增長率較大的情形，其機(jī)理及在降低等離子輸出的能耗率方面是否有利用價值有待于進(jìn)一步探究。