大氣壓脈沖微波鋅等離子體射流的參數診斷

等離子體被稱為物質的第四態，具有許多與固態、液態、氣態不同的性質，這些性質往往可以巨大的應用前景，在低溫等離子體領域，有材料表面處理改性、醫學等，本文使用大氣壓微波發卡諧振放電產生鋅等離子于氬等離子混合射流，微波角頻率為2.45 GHz。在輸入功率大于145W時出現了鋅等離子體與氬等離子體雙射流，在輸入功率為160W時出現了鋅等離子體與氬等離子體完全混合射流。另外，我們使用發射光譜儀avantes 2048L對等離子體參數進行診斷，發現隨著輸入功率的增加，電子溫度和電子密度逐漸增加，光譜強度卻相應減小。

一、引言

對于大氣壓下的等離子體射流的參數測定，之前已經有不少人展開過研究，一般而言對于惰性氣體如氬氣的等離子體，我們產生的方式主要有以下幾種，如微波放電[1]，介質阻擋放電（DBD）[2]，直流放電[3]，射頻放電[4]，脈沖放電[5]。對于金屬等離子體，大部分人采用的是激光誘導的方法[6][8-9]，本文在大氣壓情況下使用脈沖微波方法產生了鋅等離子體等離子體，生成鋅等離子體的微波輸入功率至少為145W，鋅等離子體電子密度至少在1015cm-3，并且我們對輸入功率150W、155W和160W三種功率下的電子溫度和電子密度進行測定。本文的剩下部分安排如下：實驗裝置與操作在第二部分，結果和討論在第三部分，結論在第四部分。

二、實驗裝置與操作

A.實驗裝置介紹

本文使用的實驗裝置主要可以分為四個部分。第一部分為微波源和脈沖調制器。微波源用于產生脈沖微波信號，其輸出功率范圍為0-160W。脈沖調制器可以輸出5v的脈沖方波，可以用于調節微波信號，另外它可以作為同步觸發信號用于觸發ICCD（像增強電荷耦合傳感器）。微波信號頻率范圍為10Hz-200kHz，可調占空比為0.01-0.99。第二部分為載氣系統，它用于提供惰性氣體氬氣。氬氣的純度為99.999%，流量由氣體閥門控制，可控范圍是0-10slm。第三部分為等離子體產生器，我們使用的是自制的四分之一波長（31mm）同軸傳輸線型諧振器，與一般的同軸線型諧振器不同的是，一：它的一端為閉合，一端為開口，開口直徑為1.5cm。二：它采用直接耦合（或者稱為電耦合）而非天線耦合（或者稱為磁耦合）的方式。采取這樣的設計可以更好的耦合能量以產生更長的等離子體射流。因為我們使用的是2.45GHz的微波頻率，所以相應的，在大氣壓下空氣中的微波波長為124mm，可知四分之一波長為31mm，因此諧振器的長度為31mm。諧振器通過薩碼頭與微波源連接。內置于諧振器的石英管長度為300mm，石英管的內徑和外徑分別為4mm和6mm。放置于石英管內部的發卡為鍍鋅鐵絲發卡，呈對稱的U型，總長度為62mm，其發卡的尖端置于諧振器開口電壓最大處會產生局部增強電場，便于電離氣體產生鋅等離子體射流。第四部分為等離子體測量儀器。本文使用Canon EOS 60D對等離子的形貌進行拍攝。另外，本文使用發射光譜法對鋅等離子體進行診斷，測定了它的電子數密度和電子溫度。光譜儀的型號是avantes 2048L，其測量波長范圍為200-1100nm，分辨率為0.06-20nm，雜散光為0.04-0.1%，信噪比達到了300：1。

B.實驗操作

我們打開脈沖調制器，設定占空比0.8，脈沖頻率為10kHz，最后打開氣體閥門，調節流量至1.0slm。Canon EOS 60D相機用于對射流進行拍照，曝光時間選取0.001s。首先，我們選擇微波源輸出功率為115W、140W、145W三種。當輸出功率為115W時會產生雙絲射流，一長一短，長射流長度為120mm，短射流長度為50mm。微波源輸出功率為140W會出現三絲射流，兩短一長，較長射流的長度為100mm，兩條短射流的長度為50mm。微波源輸出功率為145W時，射流變為氬等離子體與鋅等離子體混合射流：對于氬等離子體射流，一長一短射流合成一條位置處于石英管中間的長射流，合流點前面的兩條短射流長度為30mm，中間位置的長射流的長度為120mm，總長度為160mm。輸入功率為115W、140W、145W射流圖如圖2所示：

接著，我們選取微波源輸出功率為150W、155W、160W。當輸出功率為150W時，氬等離子體射流的合流點位置向諧振腔表面收縮，兩短射流長度為20mm，中間位置射流長度為130mm，總的長度為150mm。鋅等離子體射流的平均徑向長度加大，從諧振腔表面到射流尾部，徑向長度逐漸減小，但在射流尾部一小段區域，如圖3（a）所示，此處的鋅等離子體濃度卻相對較大。當輸出功率為155W時，氬等離子體中間位置的射流長度變為140mm，兩短射流長度為20mm不變，總的射流長度為160mm。鋅等離子體射流濃度明顯變大，與氬等離子體射流不同，它的空間分布是在整個石英管內。當輸入功率為160W時，總的混合射流長度變為170mm，并且我們在混合射流內部觀察不到氬等離子體射流，好像此時氬等離子體射流與鋅等離子體射流融合了。輸出功率為150W、155W、160W射流圖如圖3所示：

B.鋅等離子體參數診斷

對于等離子體的溫度和密度，有很多測量方法，如朗繆爾探針法，湯姆遜散射，微波干涉法，瑞利微波散射法和發射光譜法[7]。本論文采用的是發射光譜法，對于發射光譜法，為了研究等離子體射流的參數，我們使用avantes 2048L光譜儀對混合模式下的等離子體射流的參數進行測量，分別在不同的射流模式下的進行光譜數據采集，采集的位置為距諧振腔5cm處，它們的光譜圖如圖4所示。

根據以上的光譜測量的數據，可以使用譜線的相對強度法計算等離子體的電子溫度 ，它的計算公式[8-10]為

這個式子里面，下標1，2表示對于同一元素的兩個不同的譜線，字母表示譜線的強度，字母表示統計權重，字母表示波長，字母表示轉換概率，字母表示激發態能量，是玻爾茲曼常數，具體參數如表1所示。另外公式（1）的使用需要在局部熱力學平衡條件下使用，為了檢驗是否符合局部熱力學平衡條件，我們在這里使用McWhirter判據：

式（2）中的是兩條譜線的能級差，是等離子體電子溫度，是我們接下來要求的量。

我們選擇=334.5nm和=481.0nm兩條譜線來計算出等離子體的電子溫度。在弱混合模式下，有=4446K。強混合模式下，有=5235K。全混合模式下，有=5981K。

對于等離子體電子密度可以使用stark展寬法，它們具體關系見公式（3）[11-12]：

式（3）前面一項是電子展寬的貢獻，后一項是離子展寬的貢獻，對于stark展寬而言，離子展寬的貢獻遠遠小于電子展寬的貢獻，因此可以將式（3）改寫為式（4）：

式（4）中的為等離子體電子數密度，是stark展寬曲線的半高寬，它可以通過洛倫茲函數擬合法得到，這里我們選取了481.0nm譜線進行洛倫茲函數擬合，通過查閱文獻，有=0.125[13]。

如圖5所示，在輸入功率150W有=0.1581nm，相應的=6.3240×1015cm-3。在輸入功率155W時有=0.16005nm，相應的=6.4020×1015cm-3。在輸入功率160W時有=0.52151nm，相應的=2.0860×1016cm-3。

現在來驗證局部熱力學平衡條件，當取溫度最大值時=5981K，的數量級為1014cm-3，在三種輸入功率下的數量級都大于1014cm-3，因此符合局部熱力學平衡條件。

三.結果和討論

在有鍍鋅發卡時的諧振腔的電場強度比無鍍鋅發卡時要明顯加大，加上四分之一諧振腔的表面開口處電場場強最大，因此在諧振腔開口處石英管內放置發卡存在時更容易產生等離子體射流。在占空比為0.8，輸入功率為115W時出現了氬氣等離子體雙絲射流，隨著輸入功率加大到120W，出現了氬氣等離子體三絲射流，接著隨著功率加大，氬氣射流的溫度達到鋅的氣化溫度1179.150K，在鍍鋅鐵絲發卡表面的固體狀態的鋅變為氣體，氣體狀態的鋅與氬氣一起從諧振腔噴出石英管，而石英管管壁溫度較低，部分氣化的鋅會固化附在石英管管壁，而且離諧振腔表面越遠，附著的固體態鋅越多。這時石英管內存在氬氣和氣體狀態的鋅兩種混合氣體，對于氬氣等離子體射流，存在大量的亞穩態亞原子與電子碰撞發出光子，如圖3所示。亞穩態氬原子的勢能是11.5eV，鋅原子的電離能是9.394eV，且鋅元素的原子數大于氬元素的原子數，這時可能有彭寧效應的存在，這樣混合氣體的著火電壓要低于兩者的著火電壓，當功率達到145W時，氣態鋅被電離生成鋅等離子體，根據前面光譜測量我們知道此時射流的溫度為4446K，附著在石英管管壁的固體態鋅又被氣化形成氣體鋅并且電離生成鋅等離子體，原先在射流尾部區域的附著固態鋅 相對較多，因此在射流尾部的鋅等離子體濃度相對較大，如圖2-3所示。

根據前面的數據我們知道，在功率為160W時，電子溫度和電子密度都是三者之中最大的，這說明隨著微波輸入功率的增大，電子溫度和電子密度會逐漸增加，由圖3可知，氬等離子體已經完全與鋅等離子體混合在一起，顏色變成淡藍色與白色的混合色，而且從圖3我們可以知道，隨著功率從150W增大到160W，譜線的發射強度卻在逐漸降低，這說明處于激發態的原子數逐漸減少，進而表明隨著功率的增加，基態原子或激發態原子被電離形成離子和電子。對于輸入功率150W和155W時的發射譜線，我們只能觀察到鋅原子的譜線，這從圖2與圖3不難得知，氬等離子體發出的光被包裹在它外面的鋅等離子體射流吸收了，在輸入功率160W時，我們同時觀察到鋅原子和激發態氬原子的譜線，說明氬等離子不在以等離子體子彈形式傳播，它與鋅等離子像溶液一樣混合在一起充滿著石英管空間。

四.結論

我們使用的同軸發卡微波諧振放電實現鋅等離子體射流。實驗結果發現，在115W時會出現雙絲射流，在140W時會出現三絲射流，在功率高于145W時出現鋅與氬混合射流，之后我們加大功率分別至150W、155W和160W對三種情況下的等離子體參數進行診斷，發現隨著功率的增加，相應功率下的電子溫度和電子密度逐漸增加，發射光譜強度卻相應減小。

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作者簡介：涂一烺 性別：男，安徽省潛山市，1994年出生，學歷：安徽工業大學電氣工程專業型碩士? 職稱：安徽工業大學電氣學院碩士生 研究方向：大氣壓氣體放電， 詳細通訊地址：安徽省潛山市北河村54號