Ar 等離子體射流助燃空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電光譜特性研究

鄧國禮，洪義（通訊作者），劉逸飛

（大連民族大學(xué)物理與材料工程學(xué)院，遼寧大連，116600）

介質(zhì)阻擋放電的特點(diǎn)在于通過把絕緣介質(zhì)（石英、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等）插入到幾毫米到幾厘米的放電空間[1-3]，使載流子積累在介質(zhì)表面，形成與外加電場方向相反的的內(nèi)建電場，進(jìn)而減小放電空間內(nèi)的總電場，有效地抑制放電電流的自由增長，從而避免放電過渡到弧光放電或火花放電，并且放電空間內(nèi)的電子能量高，放電穩(wěn)定和均勻[4]。通過研究發(fā)現(xiàn)，OH、O 等許多活性粒子主要是在介質(zhì)阻擋放電的絲狀微放電通道中產(chǎn)生[5]，并且對空氣凈化、殺菌、材料表面改性、薄膜沉積、水中有機(jī)污染物去除等方面起到重要的作用[6-8]，因此過去幾十年里介質(zhì)阻擋放電受到人們廣泛關(guān)注。

總所周知，在Ar 等離子體中參入少量的空氣有助于產(chǎn)生更多的活性粒子，但是隨著空氣含量的增加放電極其不穩(wěn)定，很容易熄滅。這是因?yàn)檠鯕庾鳛殡娯?fù)性氣體，放電過程中通過迅速捕捉電子產(chǎn)生氧負(fù)離子[9]，所以需要相對較高的工作電壓才能產(chǎn)生和維持空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電。為了解決這個(gè)問題，本文提出了氬氣等離子體射流助燃空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電裝置。該裝置的特點(diǎn)在于通過預(yù)先形成Ar 等離子體射流，為高壓電極周圍空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電提供種子電荷，使放電擊穿電壓得到明顯減小，進(jìn)而減小了裝置的能耗，并對其進(jìn)行了電學(xué)特性和光譜特性診斷。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 給出了Ar 等離子體射流助燃空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電的實(shí)驗(yàn)裝置。從圖1 中可以看出該實(shí)驗(yàn)裝采用了針-板式電極結(jié)構(gòu)，高壓電極為一根外徑10 mm、內(nèi)徑2 mm、長200 mm的不銹鋼空心鋼管，低壓電極為直徑30 mm、厚0.3 mm的銅箔。在低壓電極的上方放置了直徑40 mm、厚1 mm的石英玻璃板，作為阻擋放電的絕緣介質(zhì)。高壓電極的下端作為放電端距離石英玻璃板2.5 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

Ar 氣體（純度為99.999%）作為工作氣體，從高壓電極的上端進(jìn)入，并利用質(zhì)量流量計(jì)控制其流量為1 L/min。電源采用高頻交流電源，峰值電壓范圍為0～30 kV，頻率范圍為0～20kHz，本次實(shí)驗(yàn)固定其頻率為8 kHz。放電過程中的電壓-電流波形利用高電壓探頭（Textronix P6015A）和羅氏電流線圈（Pearson 4100）測量得到，并利用示波器（Tektronix MDO3012）記錄其波形。300-850 nm 波長范圍內(nèi)的特征發(fā)射光譜利用光譜儀（Acton Research Spectrapro-2500i）測量得到，并設(shè)置光柵為300 槽mm-1，狹縫寬度為20 μm。光譜儀的光纖探頭放置在距石英板上方1mm、高壓電極側(cè)面20mm 處。

圖2 給出了峰值電壓為9 kV 時(shí)，利用數(shù)碼相機(jī)（EOS 5D Mark III）拍照得到的放電照片。從該圖中可以看出，高壓電極下端的中心處形成了柱狀氬氣等離子體射流，而其周圍形成了絲狀介質(zhì)阻擋放電的空氣/Ar 等離子體，說明Ar等離子體射流可以很好的助燃空氣/Ar 等離子體。之所以能夠產(chǎn)生這種放電現(xiàn)象，是因?yàn)榇髿鈮合職鍤獾膿舸╇妷罕瓤諝庑。M(jìn)而先擊穿，為空氣/Ar 放電提供了種子電荷，因此比單純的空氣/Ar 放電所需的擊穿電壓小，進(jìn)而減小了能耗。

圖2 峰值電壓為9 kV 時(shí)放電照片

2 結(jié)果與討論

■2.1 電學(xué)特性診斷

圖3 給出了峰值電壓為9 kV 時(shí)測量得到的電-電流波形。從該圖中可以看出，放電電流波形上出現(xiàn)了許多脈沖細(xì)絲，說明高壓電極與接地電極之間形成了大量的微放電通道，并且電流脈沖最大值達(dá)到了172.49 mA。另外，工作電壓正半周期對應(yīng)的電流脈沖值明顯大于工作電壓負(fù)半周期對應(yīng)的電流脈沖值，這是因?yàn)閮蓚€(gè)電極形狀不同導(dǎo)致，即高壓電極曲率半徑遠(yuǎn)小于接地電極曲率半徑。

圖3 電壓-電流波形圖

圖4 給出了放電功率隨峰值電壓的變化。放電功率是通過接地電極串聯(lián)1 μF的電容，測量李莎茹圖形，并利用公式P=fC mS計(jì)算得到，式中P、f、Cm、S分別表示放電功率、電源頻率、接地電容和李莎茹圖形面積。從圖4中可以看出，隨著峰值電壓的增大，放電功率幾乎線性地增大，并且峰值電壓為11kV 時(shí)，放電功率僅為61.21W。

圖4 放電功率隨峰值電壓的變化

■2.2 光學(xué)特性診斷

圖5 給出了峰值電壓為9 kV 時(shí)，利用光譜儀測量得到的300-850nm 波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。從該圖中可以看出，放電等離子體中存在激發(fā)態(tài)的Ar、OHO (777.4 nm)等活性粒子。

圖5 300-850 nm波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜

圖6 給出了氮分子轉(zhuǎn)動溫度（TRot）和振動溫度（TVib）隨峰值電壓的變化。氮分子的轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度是通過光譜分析軟件Specair 擬合368-382 nm 波長范圍內(nèi)的氮分子譜帶并與實(shí)驗(yàn)測量光譜吻合的最好時(shí)就可以確定，如圖6(b)的內(nèi)嵌圖所示。從圖6中可以看出，氮分子轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大，并且它的變化趨勢與放電功率隨峰值電壓的變化趨勢完全一致，說明隨著峰值電壓的增大，電子通過加速運(yùn)動從外電場獲得更多的能量，并與氮分子碰撞把更多的能量轉(zhuǎn)移到了氮分子的轉(zhuǎn)動和振動能級上，從而使溫度提高。另外，氮分子的振動溫度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)動溫度，說明此時(shí)放電等離子體處于非熱平衡狀態(tài)。當(dāng)峰值電壓從8 kV 增大到11 kV 時(shí)，轉(zhuǎn)動溫度從335 K 增大到了393 K，而振動溫度從2497 K 增大到了2672 K。

圖6 氮分子轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度隨峰值電壓的變化

圖7 給出了電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的變化。電子激發(fā)溫度是通過選擇706.72、714.70、727.29、738.40、750.39、751.47、772.38、794.82、800.62、826.46 nm等10 條中性激發(fā)態(tài)的Ar 譜線，利用玻爾茲曼斜率法計(jì)算得到，如圖7的內(nèi)嵌圖所示。從圖7 中可以看出，隨著峰值電壓的增大，電子激發(fā)溫度幾乎線性地增大，這是因?yàn)殡S著峰值電壓的增大，高壓電極與接地電極間的電場強(qiáng)度增大，電子通過電場加速可以獲得更多的能量，所以電子激發(fā)溫度增大。當(dāng)峰值電壓從8 kV 增大到11 kV 時(shí)，電子激發(fā)溫度從4129 K 增大到了4465 K。

圖7 電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的變化

3 結(jié)論

利用預(yù)先產(chǎn)生的Ar 等離子體射流在在高壓電極周圍產(chǎn)生了空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電等離子體，并對其進(jìn)行了電學(xué)特性和光譜特性診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放電電流中出現(xiàn)了大量的絲狀電流脈沖，并且最大放電功率為61.21 W。另外，放電等離子體中存在Ar*、OH*、N2*、N2+、O*等多種活性粒子，并且放電功率、N2轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度、電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大。