電源頻率對大氣壓氦氣射流等離子體放電特性的影響

李棲楠

(中國石化青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

0 引言

大氣壓射流等離子體技術(Atmospheric Pressure Plasma Jet，APPJ)具有高電子溫度、低氣體溫度、設備簡單、操作靈活、開放放電空間等特點，在復雜材料表面處理、材料生長、生物醫學及環境保護等領域有著廣泛應用[1-8]，受到許多電力企業的青睞。丁正方[9]、方志[10]在大氣壓氬氣等離子體射流陣列中加入六甲基二硅醚(HMDSO)、四氟化碳(CF4)應用于材料的表面憎水改性，并獲得良好效果；劉文正等[11]研發了1種無需反應容器和真空系統的射流等離子體滅菌裝置；張若兵[12]利用大氣壓條件的介質阻擋放電產生低溫等離子體射流改善污染高溫硫化硅橡膠(HTV)憎水性。除應用外，研究者們主要關注射流等離子體特性。射流等離子體放電特性及診斷研究方面，郝艷捧[13]實現三脈沖APPJ，證明放電起始階段電流脈沖之間微弱的發光特性仍具有輝光放電結構；吳淑群等[14]利用激光誘導熒光法測量大氣壓低溫等離子體射流中的OH自由基和O原子的粒子密度。現階段，大氣壓射流等離子體放電的研究主要集中于氣體改變材料特性和外加電壓改變放電特性方面，針對電源參數影響射流的研究，如放電電壓、放電電流特性較少。了解電源參數的影響規律不僅對APPJ的控制和裝置長周期安全穩定運行具有指導作用，而且對電力企業安全生產具有重要意義。

本文以氦氣為工作氣體，通過改變電源電壓和頻率，從放電圖像、放電伏安特性、放電功率3個方面，研究大氣壓條件下氦氣射流等離子體放電的電氣特性和發光圖像隨電源頻率變化的演變規律。

1 實驗裝置及測量

采用同軸雙環電極結構作為等離子體射流裝置，選擇內、外徑分別為3，5 mm石英玻璃管作為介質材料，石英管長度為200 mm；采用寬12 mm，厚1 mm的黃銅帶環繞在石英介質管外壁作為高、低壓電極，高、低壓電極間距10 mm，分別位于氣流方向的下游和上游，即高壓電極位于靠近石英管口一側且距石英管口10 mm。實驗氣體為純度99.99%氦氣，采用質量流量計調節控制進氣速度3 L/min。等離子體射流放電由高壓交流電源(CTP-2000K)驅動，輸出電壓為0～30 kV可調，輸出頻率范圍5～20 kHz。利用高壓探頭(Tektronix P6015A，1000×3.0 pF，100 MΩ)和電流探頭(Pearson Electronics2877，比率50)采集放電過程電壓電流信號?？拷覀裙芸谔幍碾姌O與測試電容(10 μF)串聯用以測量低壓信號。采集的電壓、電流和測試電容上的低電壓信號均由示波器(Tektronix MDO 3054)顯示并存儲。使用數碼相機Sonyα6000拍攝放電圖像，曝光時間0.000 8 s。使用美瑞克數字功率計RK9830N測量電路消耗功率，測試頻率45～65 Hz。實驗系統如圖1所示。

圖1 射流實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of jet experimental system

為研究氣體放電能量，對不同電源頻率下He等離子體射流的放電平均功率進行計算，如式(1)所示：

(1)

式中：P為放電功率，W；u(t)為電極兩端電壓，V；i(t)為流經電極的電流，A；T為1個放電周期，s。

2 實驗結果及討論

2.1 放電圖像

主要考察電源頻率分別為7.88，8.40，8.90 kHz時，施加電壓在10～21 kV之間的發光圖像，測量等離子體產生后直接進入空氣的等離子體射流“焰”的長度，研究頻率和電壓對射流長度的變化規律，不同電源頻率下的放電發光圖像如圖2所示，不同電源頻率下射流長度隨外加電壓變化趨勢如圖3所示。

圖2 不同電源頻率下的放電發光圖像Fig.2 Discharge luminous images under different power frequencies

圖3 不同電源頻率下射流長度隨外加電壓變化趨勢Fig.3 Change trend of jet length with applied voltage under different power frequencies

由圖2可知，在外加電壓較低的初始階段，射流長度呈增長趨勢，DBD中部區域放電呈亮白色，放電顏色分布不均；隨外加電壓進一步升高，管口射流長度減小并逐漸穩定，放電區域的光強愈發強烈，且均勻布滿石英管，射流尖端不穩定。

圖3為不同電源頻率下射流長度隨外加電壓升高的變化趨勢。3種電源頻率下射流長度隨電壓升高均呈現先增大、后減小、最后趨于穩定的狀態。由于射流長度在較大程度上取決于亞穩態粒子和載能電子的有效飛行距離，初始階段電壓的升高增強了電場強度，射流亞穩態粒子和載能電子從電場中獲能，使有效飛行距離延長，即射流長度變長；隨著電壓的進一步升高，玻璃管內電場強度持續增強，縮短了亞穩態粒子和電子等粒子壽命，阻礙了空間高速漂移的電子，直接影響了有效飛行距離[15]。同時，由于玻璃管口處和周圍環境中空氣含有的氮氣對射流放電產生的亞穩態粒子He*存在猝滅作用[16]，在一定程度上影響了粒子飛行距離。外加電壓一定時，f=8.90 kHz對應的射流長度最長，f=7.88 kHz對應的射流長度最短。如U=18.50 kV時，f=7.88 kHz、f=8.40 kHz、f=8.90 kHz對應的射流長度分別為28.2，28.7，31.5 mm，最大差值3.3 mm。這可能與放電局部的氣流形態變化和電場畸變有關。

2.2 伏安特性

當電源頻率f=8.40 kHz時，外加交流電壓峰峰值分別為U=10.50，13.58，16.06，20.06 kV時，電流峰峰值分別為1.74，1.77，1.92，2.06 mA，大氣壓氦氣射流等離子體的電壓電流波形如圖4所示。

由圖4可知，當f=8.40 kHz時，不同外加電壓下放電正負半周期內的電流脈沖符合輝光放電的特征，呈現個數不對稱、幅值大小不相等的分布特點。由圖4(a)～(b)可知，當外加電壓較低時，放電主要發生在電壓上升沿，除主電流脈沖放電，還存在部分幅值微小的電流脈沖；由圖4(c)～(d)可知，隨著外加電壓持續增大，正負半周期內的放電脈沖個數逐漸增多，電流脈沖曲線出現明顯畸變。原因是外加電壓較低時，電極內表面累積的電荷在管內不均勻電場的作用下依次產生放電，隨著外部電壓的持續升高，未熄滅的放電被瞬間增強，放電程度愈發劇烈[15-16]。

圖4 電源頻率f=8.40 kHz時外加電壓與放電電流波形Fig.4 Waveforms of applied voltage and discharge current at power frequency f=8.4 kHz

當電源頻率分別為7.88，8.90 kHz時，He射流等離子體放電的起始電壓隨著電源頻率的增大而升高。此2種電源頻率實現穩定放電后，升高外加電壓后得到的放電伏安特性曲線如圖5所示，電流變化趨勢與圖4相同，不再贅述。

圖5 不同電源頻率下外加電壓與放電電流的關系Fig.5 Relationship between applied voltage and discharge current under different power frequencies

2.3 功率特性

改變電源頻率，通過功率計測量整套裝置消耗功率，考察放電時裝置消耗總功率與施加電壓的關系，如圖6所示。當外加電壓U=18.50 kV時，3種電源頻率7.88，8.40，8.90 kHz對應的消耗功率分別為28.02，28.60，29.27 W。同時，3種頻率下的放電消耗功率均隨著外加電壓的升高而不斷增大。

圖6 不同電源頻率下消耗功率與電壓的關系Fig.6 Relationship between consumed power and voltage under different power frequencies

He射流等離子體放電平均功率與外加電壓的關系曲線如圖7所示。電壓升高的初始階段(10～15 kV)，電源頻率的變化對放電功率的影響不大，如U=14.40 kV時，電源頻率7.88，8.40，8.90 kHz分別對應的放電功率分別為2.276，2.460，2.539 W；隨著電壓的持續升高，放電變得更加劇烈，如U=18.50 kV時，電源頻率7.88，8.40，8.90 kHz對應的放電功率分別為4.282，3.992，4.791 W，即同一電壓下，P(f=8.90 kHz)>P(f=7.88 kHz)>P(f=8.40 kHz)。

圖7 不同電源頻率下放電功率與電壓的關系Fig.7 Relationship between discharge power and voltage under different power frequencies

3 結論

1)在放電圖像方面，在7.88，8.40，8.90 kHz 3種電源頻率下，電壓初始升高時，等離子體射流長度均隨外加電壓的升高而增大，電壓持續升高，放電現象逐漸強烈，射流長度區域穩定，射流尖端出現徑向擺動現象；同一電壓下，f=8.90 kHz對應的射流長度最長，f=7.88 kHz對應的射流長度最短。

2)在伏安特性關系方面，在外加電壓的正負半周期內，電流脈沖呈現個數不對稱、幅值大小不相等的分布特點，且隨著外加電壓的升高，電流脈沖個數增多、脈沖曲線產生畸變，符合輝光放電特征。

3)在等離子體射流裝置功率方面，對于消耗功率，外加電壓相同時，電源頻率的改變對氦氣射流放電的消耗功率影響不大；對于放電功率，在電壓升高的初始階段(10～15 kV)，電源頻率的變化對射流放電功率的影響不大，最大功率差為0.263 W，外加電壓持續升高，f=8.9 kHz對應的射流放電功率最大、f=8.40 kHz的射流放電功率最小。