四電極裝置產生片狀氬氣等離子體羽的特性

宋彩虹武珈存吳凱玥賈鵬英冉俊霞楊麗君

(河北大學 物理科學與技術學院,河北 保定 071002)

大氣壓非平衡低溫等離子體在生物醫學[1-4]、表面處理[5]、材料生長[6]、增強催化[7]以及元素探測[8]等方面具有巨大的應用潛力.

利用介質阻擋放電(DBD)裝置可以在兩電極間實現穩定的大氣壓均勻放電[9-11],但這種放電產生的等離子體易受氣隙間距的影響從而很難處理大體積的三維物體.等離子體射流雖然為三維材料的處理帶來了便利,但由于射流產生的等離子體羽通常直徑很小[12],導致其在材料處理應用中效率較低.

為了擴大等離子體羽的橫向尺度,常用的方法是把多個等離子體射流組合起來得到等離子體射流陣列[13-18],但等離子體射流之間存在強烈的相互作用,導致部分放電熄滅或使部分等離子體羽發生偏折[17-18],從而使其均勻性大幅降低.利用窄狹縫氣道代替普通射流圓管,可以產生具有一定橫向尺度的片狀等離子體羽[19-21].例如,在狹縫出口處相對放置2 個裸電極,通過鎮流電阻限制電流,產生了片狀氬氣等離子體羽[19-21].由于該放電需要電阻限流,所以會產生大量的焦耳熱,因此造成了能量浪費.為了避免限流電阻焦耳熱的產生,利用針電極形成DBD,在交流電壓激勵下產生了片狀氬氣等離子體羽[22].研究發現針電極DBD 在高電壓下會產生一些不均勻的絲狀放電,為了改善其均勻性,在電極的上游施加了一個輔助DBD,構成了等離子射流裝置[23].結果表明在輔助DBD 的幫助下,片狀等離子體羽更長,且均勻性更好.此外,蒲以康等[24]利用矩形氣道的DBD 射流裝置也產生了片狀等離子體羽,但該裝置需要使用昂貴的氦氣.

本工作利用一種四電極結構的DBD 射流裝置,以氬氣為工作氣體,產生了彌散的片狀等離子體羽.利用電學、光學和光譜學手段對該片狀等離子體羽的放電特性進行了研究.

1 實驗裝置

圖1為實驗裝置示意.由厚度為1.0 mm 的石英板構成一矩形氣道,氣道的內截面積與外截面積分別為3.0 mm×15.0 mm 和5.0 mm×30.0 mm.體積分數為99.999%的氬氣在質量流量計(Sevenstar SC200A)的控制下通入氣道,流速(Q)固定為10 L/min.2個直徑為1.0 mm 的銅棒相距15 mm,分別固定在氣道的出口左右兩側.銅棒外面包裹著內徑為1.0 mm厚度為0.7 mm 的石英管,且兩銅棒均接地.在氣道外壁距離氣道末端25 mm 處粘貼兩平行放置的銅片電極(15 mm×3 mm),其中一個銅片與交流電源(Suman CTP-2000K)的高壓輸出端相連,另一個銅片接地.分別利用高壓探頭(Tektronix P6015A),電流探頭(Tektronix TCPA300)測量電極上的外加電壓和總放電電流.通過2個光電倍增管(PMT)(ET 9130/100B)分別采集氣道內與氣道外的發光信號.外加電壓,放電電流和光信號均通過示波器(Tektronix DPO4104)顯示和儲存.使用數碼相機(Canon EOS 5D)和電荷耦合設備(ICCD)(Andor DH334T)記錄放電的照片.通過透鏡成像,利用光柵光譜儀(PI Acton 2750,CCD:1340×400像素)對放電的發射光譜進行采集.

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

2 結果與討論

圖2給出了曝光時間為1 s時不同電壓峰值(Up)下等離子體羽的放電照片.當Up達到約5.7 k V 時,兩銅片電極間氣體擊穿產生放電,此時放電僅出現在氣道內部(氣道上游).當Up＞10.0 k V 時,在氣道外部(氣道下游)開始形成片狀等離子體羽.如圖2a所示,在較低的Up下片狀等離子體羽很短,并且發光很暗.隨著Up的增加,片狀等離子體羽亮度增加并且長度也增長,如圖2b-d所示.同時也可以發現,管口位置處等離子體羽的寬度較大,隨著距管口距離的增加,等離子體羽的寬度減小.

圖2 不同U p 下等離子體羽的放電照片Fig.2 Discharge images of the plasma plume under different U p

圖3給出了等離子體羽的長度和譜線強度隨Up和Q的變化.通過圖3可以看出,等離子體羽的長度隨著Up和Q單調遞增.在Up為17 k V 時,等離子體羽的長度達到最大值35 mm.與他人工作中利用氬氧混合氣體產生的片狀等離子體羽只有幾個毫米[20]相比,利用四電極DBD 裝置產生的片狀等離子體羽要長得多.并且,也比他人報道的片狀氦氣等離子體羽長[24].除了等離子體羽的長度之外,還研究了氬原子譜線(696.5、772.4、763.5 nm)強度隨實驗參數的變化.可以發現,這些譜線的強度都隨著Up或氣體流速的增加而增大.值得指出的是,當Up低于10.0 k V 時,只有內電極放電,下游區域沒有等離子體羽形成,此時這些來自于2p-1s5(Paschen’s notation)的譜線強度很低,幾乎是可以忽略的.這說明這些2p態譜線主要是由電子與基態的氬原子相互作用形成的.再者,由于氣體流速為370 m/s(10 L/min),在氣流的作用下,亞穩態粒子在消失之前僅能夠移動大約1.7 mm,持續時間約為4.5μs.這意味著大多數亞穩態粒子在內電極產生之后未運動到氣道出口就已經消失了,所以這些2p-1s5的譜線不是由內電極產生的,而是下游區域放電產生的.

圖3 等離子體羽的長度和譜線強度的變化Fig.3 Variations in plasma plume length and spectral intensity

圖4給出了外加電壓、放電電流以及內電極放電和等離子體羽光信號的波形.可以發現,每個電壓周期對應很多正電流脈沖和負電流脈沖.正放電出現在負電壓的下降沿和正電壓的上升沿.負放電出現在正電壓的下降沿和負電壓的上升沿.這些下降沿的放電與介質表面累積的殘余電荷緊密相關[25-28].此外還可以發現,等離子體羽的發光信號和內電極放電的發光信號幾乎是同時出現的,但它們的發光強度的大小以及開始的時間都是隨機的,平均持續時間為幾個微秒并且2次放電間的時間間隔較長.對于以上現象,給出如下解釋:在內電極放電期間,在介質表面會累積大量殘余電荷.由于電荷溢流效應[29-30],這些殘余電荷將會引起下游區域的放電形成等離子體羽.對于電荷溢流的射流,等離子體羽的形成和內電極放電是獨立的[29],因此其發射強度是隨機的.對于正放電而言,在氣道口累積的電荷是正電性的,所以這些正電荷的溢流將會在下游放電區域引起正流光.同樣的,負放電的過程中將會累積負電荷形成負流光.因此可以推測,圖2中片狀等離子體羽是正流光和負流光經過時間疊加形成的.

圖4 外加電壓、放電電流以及內電極放電和等離子體羽光信號的波形Fig.4 Waveforms of the applied voltage,the current,and the emissions from the intra-electrode discharge and the plasma plume

圖5給出了不同曝光時間下單次觸發ICCD 拍攝得到的等離子體羽的放電照片.由于隨著曝光時間降低,等離子體羽的亮度也會降低.因此通過適當的改變ICCD 的增益來得到清晰的放電照片.如圖5a所示,當曝光時間為1 s時拍攝得到的等離子體羽的照片與圖2c中的照片是相似的,可以看出在長曝光時間下放電是均勻的.隨著曝光時間的減少,放電逐漸變得不均勻.如圖5b所示,當曝光時間為10 ms時,一些微放電絲出現在氣道的出口處,同時等離子體羽尾部出現棉絮狀的放電.除了不均勻的放電,在距離氣道出口的一定距離范圍內可以看到彌散的背景.隨著曝光時間進一步縮短(圖5c-d),等離子體羽看上去更加不均勻.所以得出這樣的結論,等離子體羽是由不均勻的微放電絲和彌散的背景疊加形成的.

圖5 不同曝光時間下等離子體羽的放電照片Fig.5 Plume images with different exposure times

圖6為ICCD 單次觸發拍攝的不同正、負放電的照片.為了研究非均勻的微放電絲和彌散背景的形成機制,用同步觸發的方法拍攝了單次放電的照片.由圖4的波形可知,將曝光時間設定為10μs時,剛好只捕捉到1次放電,能很好地對實驗進行分析研究.由圖6a-d可以發現,正放電是不均勻的,并且在空間隨機出現.由于電荷溢流效應,正放電開始于氣道出口,在傳播一定的距離之后,正放電開始出現分叉,并且分叉流光的形狀和長度是隨機的；與正放電相比,負放電是彌散的.如圖6e-g所示,每次拍攝得到的負放電的強度也是不同的.即使在曝光時間縮短到500 ns也沒有出現絲狀放電的現象(圖6h).因此,等離子體羽實際上是由正放電形成的分叉放電絲和負放電形成的彌散背景疊加形成的.

圖6 ICCD單次觸發拍攝的照片Fig.6 Single shot images of the plume

圖7給出了距離氣道出口不同位置處發光信號的時間演化.根據流光放電機制可知,由于電荷分離效應,流光頭前的電場被增強.也就是說在流光傳播期間,流光頭前的電場最大.因此二次電子崩主要在這個區域發展,導致最大發光強度總是出現在流光的前端.所以可以用最大發光強度的傳播速度表示流光的傳播速度.因此利用2個PMT,通過2個PMT 采集到光信號最大強度的時間延遲來計算流光的傳播速度[31].如圖7所示,可以發現,與正放電相比負放電具有更快的傳播速度.結合圖4和圖6,可以推測出正流光(分叉放電絲)的傳播速度低于負流光(彌散背景).

圖7 距離氣道出口不同位置的發光信號時間演化Fig.7 Temporal evolution of the light emissions at different positions away from the outlet

如之前所提到的,正的內電極放電在氣道出口附近的介質表面累積的正離子由于電荷溢流效應引起正流光放電；負的內電極放電產生的負電荷由于電荷溢流效應形成負流光.在正流光的傳播過程中,由于電子和正離子遷移速度的差異導致流光頭中為凈正電荷.在其前方,電場被該正電荷層增強,因此光致電離產生的種子電子會在此加強場作用下引發二次電子雪崩.二次電子雪崩將向流光頭前的正電荷層發展,在中和正電荷層之后,新的正電荷層將被留在二次電子崩的路徑上,新一代二次電子崩將又朝著這個方向發展.這個過程不斷重復,導致流光傳播.由于正電荷層的空間范圍很小,對二次電子雪崩有一定的匯聚作用,因此正流光表現為收縮的微放電.此外,由光致電離產生的種子電子可以在流光頭前的不同位置同時產生.所以在此情況下放電表現為隨機分叉.與正流光相比,負流光推動著自由電子遠離流光頭,這些向前遷移的電子引起了二次電子發射.也就是說,許多小的電子雪崩將會在負流光之前同時產生.這些電子雪崩同時發展,彼此相互作用形成了彌散的放電[32],因此負流光產生彌散背景而正流光容易形成放電絲.也正因如此,如果正放電能夠被抑制,僅留下負放電將會是一個很好的產生彌散等離子體羽的方法.

正如Qin和Pasko[33]提出的,形成正流光的臨界電場要低于形成負流光的臨界電場.因此,與正流光頭前的電子相比而言,負流光頭前電子將會在更高的電場下遷移,將導致負流光頭前的電子遷移速度更快,說明了負流光的傳播速度要比正流光的傳播速度快.這個結果也正好與模擬的結果相吻合[33].

3 結論

利用四電極結構介質阻擋放電裝置,在大氣壓環境中產生了一個片狀氬氣等離子體羽.研究發現,等離子體羽的長度隨著電壓峰值的增加而變長,在此過程中譜線強度也隨電壓峰值的增加而增大.光電信號測量顯示,正放電和負放電過程有多個放電脈沖.內電極放電和等離子體羽的放電幾乎是同時進行的.逐漸降低曝光時間,發現放電實際上是由不均勻的微放電絲和彌散的背景疊加形成的.高速影像研究表明,不同電源極性的放電有著明顯的區別.正放電是由不均勻的分叉的放電絲形成的,而負放電卻相當均勻.由于內電極放電的電荷溢流,等離子體羽的放電機制為流光機制,正放電和負放電分別對應正流光和負流光.通過PMT對等離子體的傳播速度進行了測量,結果顯示正放電的傳播速度為104m/s量級而負放電的傳播速度為105m/s量級,均在等離子體子彈的傳播速度范圍內,并且負放電的傳播速度大于正放電的傳播速度.