磁控放電等離子體射流陣列實(shí)驗(yàn)研究

王長(zhǎng)全，李廣軍，申仲濤，蘇金剛，羅海云，劉 程

(1.北京勞動(dòng)保障職業(yè)學(xué)院 城市安全學(xué)院，北京 100029；2.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

1 引言

2005年，習(xí)近平總書(shū)記即指出了“綠水青山也是金山銀山”的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的辯證關(guān)系。綠色發(fā)展需要綠色技術(shù)，綠色技術(shù)是指人們能充分節(jié)約地利用自然資源，并且生產(chǎn)和使用時(shí)對(duì)環(huán)境無(wú)害的一種技術(shù)。低溫等離子體技術(shù)作為一種環(huán)境友好型新技術(shù)，屬于綠色技術(shù)的一種。低溫等離子技術(shù)包括產(chǎn)生低溫等離子體的各種技術(shù)，其中大氣壓等離子體射流由于在大氣壓下產(chǎn)生，具有放電溫度低、放電裝置靈活、化學(xué)活性高且可控性好等方面的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其放電特性機(jī)理及在材料表面改性、殺菌消毒以及生物化學(xué)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛關(guān)注[1～4]。但現(xiàn)有研究中采用的單個(gè)射流裝置產(chǎn)生的等離子體體積較小、尺度小，因此其工業(yè)應(yīng)用前景受到一定的限制。為了改變單個(gè)射流的確定，最近幾年，學(xué)者們通過(guò)對(duì)小尺度單個(gè)射流單元進(jìn)行并聯(lián)排列組合，制成了能獲得較大面積等離子體的射流陣列。射流陣列可以根據(jù)需要進(jìn)行不同單元的組合以適應(yīng)不同面積和體積的處理對(duì)象，大大增強(qiáng)了等離子體處理的靈活性和實(shí)用性，具有更加廣闊的應(yīng)用前景，成為目前等離子體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

根據(jù)射流陣列中單個(gè)射流單元的排列方式不同，射流陣列可以分為一維射流陣列和二維射流陣列。一維陣列是將多個(gè)小尺度單射流單元在一維方向上進(jìn)行線狀排列，可以滿足長(zhǎng)距離等離子體處理的需求。二維陣列是將多個(gè)小尺度單射流單元在二維橫縱兩個(gè)方向上進(jìn)行擴(kuò)展成面型排列，可以滿足大面積等離子體處理的需求。除了在空間尺寸上對(duì)等離子體射流放電進(jìn)行研究以外，研究者們還在如何增強(qiáng)放電效果的方法上進(jìn)行了研究[5～7]。王長(zhǎng)全等[8,9]對(duì)一維等離子體射流放電的仿真研究發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)控制條件下，電場(chǎng)強(qiáng)度幅值比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)有了一定的提高。

為了深入分析磁場(chǎng)對(duì)一維等離子射流陣列的影響，本文采用自制實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的三個(gè)單射流單元組成的一維等離子射流陣列進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出了本文研究所建立的射流陣列實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)接線圖。射流陣列反應(yīng)器由3個(gè)單個(gè)射流單元并聯(lián)平行排列構(gòu)成，陶瓷管彼此間距為1 mm。射流單元采用環(huán)-環(huán)電極結(jié)構(gòu)，每個(gè)射流單元均由氧化鋁陶瓷管、低壓電極和高壓電極構(gòu)成，其中陶瓷管的外徑為4 mm、內(nèi)徑為2 mm、長(zhǎng)度為100 mm；高壓電極和低壓電極皆為寬20 mm的銅箔，相距35 mm，高壓電極外側(cè)距離陶瓷管口10 mm處。實(shí)驗(yàn)氣體為He氣(體積分?jǐn)?shù)99.99%)，經(jīng)LZB-10WB型流量計(jì)控制通入到陶瓷管內(nèi)，其體積流量范圍為5～45 L/min。電源采用電壓幅值在0～15 kV范圍內(nèi)、頻率在0～35 kHz 范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的高頻高壓交流電源，3個(gè)射流單元的高壓和地電極并聯(lián)后分別接到高壓電源兩端。放電電壓波形采用高壓探頭Tek P6015A 測(cè)量，探頭并聯(lián)在高壓電極和地電極之間；射流陣列的總放電電流波形則通過(guò)在一維射流陣列放電回路中串聯(lián)1 個(gè)阻值為50 Ω 的無(wú)感電阻R獲得；放電空間的傳輸電荷通過(guò)在放電回路中串聯(lián)1 個(gè)0.0068 μF的無(wú)感的測(cè)量電容C獲得，放電的電壓-電流波形圖形和電壓-電荷Lissajous 圖形由TBS 1052B數(shù)字示波器記錄。放電發(fā)光圖像由OPPOReno5手機(jī)拍攝得到。發(fā)射光譜特性由AvaSpeec-USB2-DT型光譜儀測(cè)量，測(cè)量譜線的波長(zhǎng)范圍為200～1100 nm，光學(xué)分辨率為0.75 nm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了分析磁場(chǎng)對(duì)一維等離子射流陣列的影響，實(shí)驗(yàn)從電學(xué)和光學(xué)兩個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)條件為：電源頻率2.7 kHz，射流氣體流速3.3 L/min。

3.1 射流陣列的電學(xué)特性

在實(shí)驗(yàn)條件下，一維射流陣列有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電壓和電流波形如圖2所示。

從圖2可看出，放電電壓為交流正弦，電流波形為交流脈沖，就測(cè)量的電流峰值強(qiáng)度而言，有磁場(chǎng)時(shí)的所測(cè)電流強(qiáng)度高于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的，說(shuō)明磁場(chǎng)約束提高了某階段的電流強(qiáng)度，這與以前的仿真結(jié)果一致。

圖2 一維射流陣列的電壓-電流波形

圖3所示為實(shí)驗(yàn)條件下利用測(cè)量電容和高壓探頭測(cè)量得到的射流陣列有、無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的Lissajous圖形。

圖3 一維射流陣列的Lissajous圖形

由放電的Lissajous圖形可看出，兩者圖形形狀相似，只是有磁場(chǎng)時(shí)的Lissajous圖形非對(duì)稱性比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)更向負(fù)電荷區(qū)偏些，且放電圍成的面積更大一些。

3.2 射流陣列的光學(xué)特性

一維射流陣列的光學(xué)特性采用放電照片和發(fā)光光譜來(lái)分析。放電照片如圖4所示。

圖4 一維射流陣列的發(fā)光照片

從發(fā)光圖像可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，等離子體射流噴出了放電區(qū)域，對(duì)比不同的照片可看出，放點(diǎn)顏色接近，有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)對(duì)射流耦合和均勻性沒(méi)有明顯的差異，究其原因可能有兩個(gè)：一是所用馬蹄形磁鐵磁場(chǎng)較弱，對(duì)等離子體影響有限；二是磁鐵放置的位置影響不到外面射流的部分。

通過(guò)分析圖5的射流陣列的發(fā)射光譜，在大氣壓和氦氣工作氣體作用下，放電區(qū)域除了原子氦的發(fā)光譜線外，還存在羥基線(306～310 nm)、氮分子譜線 (314.8 nm，337 nm，354 nm，358 nm，381 nm) 、分子氮離子譜線 (391 nm，428 nm) 和原子氧譜線(777 nm)。當(dāng)有磁場(chǎng)約束時(shí)，存在的高強(qiáng)度譜線有337 nm、372 nm、391 nm和706 nm等；同樣，在無(wú)磁場(chǎng)的等離子體發(fā)光光譜中也存在上述幾種譜線。但對(duì)比譜線的強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，低波段高能光子(取337 nm、372 nm、391 nm)與高波段低能光子(取706 nm)的強(qiáng)度值變化如表1所示。

圖5 一維射流陣列的發(fā)射光譜

表1 高能光子強(qiáng)度與低能光子強(qiáng)度值變化

通過(guò)圖5和表1可以看出，有磁場(chǎng)時(shí)，譜線呈現(xiàn)兩端高，中間低，而無(wú)磁場(chǎng)時(shí)中間高兩端低。這說(shuō)明磁場(chǎng)的存在使得等離子體區(qū)的電子在正交磁場(chǎng)收到洛倫茲力的作用而延長(zhǎng)其與其他粒子的碰撞過(guò)程，影響了產(chǎn)生活性粒子的數(shù)量，從而導(dǎo)致了發(fā)光光譜強(qiáng)度的不同[6,7]。

4 結(jié)論

大氣壓等離子體射流陣列作為綠色技術(shù)等離子體技術(shù)中的一種放電類型，具有較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。提高射流陣列的放電尺度和放電效果是深入拓展其應(yīng)用的必由之路。本文采用實(shí)驗(yàn)方式研究了3單射流單元組成的一維射流陣列在有、無(wú)磁場(chǎng)條件的電壓、電流、發(fā)光圖像和發(fā)射光譜等變化。結(jié)果證明，采用磁場(chǎng)約束的方式在一定程度上影響射流的放電強(qiáng)度和光譜特性。如何有效控制磁場(chǎng)參數(shù)使放電效果有效提升將是未來(lái)研究的一種重點(diǎn)方向。