大氣壓空氣彌散等離子體產(chǎn)生及發(fā)射光譜分析

張大偉，徐萌

（沈陽理工大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

近年來，低溫等離子體因其獨特的高效、環(huán)保、低能耗等技術(shù)優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于新材料、新能源、環(huán)保和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但是能量比較集中的絲狀等離子體難以用于均勻化的生產(chǎn)領(lǐng)域，探究如何產(chǎn)生不含放電細絲的彌散等離子體引起眾多學(xué)者關(guān)注。

其中， 李靜使用針- 環(huán)電極介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD) 系統(tǒng)，將氬氣作為工作氣體，使用8.9kHz 的交流電源，在大氣壓環(huán)境中產(chǎn)生了均勻彌散的等離子體射流；Yang 等人將納秒脈沖電源作為激勵源，采用針- 板電極結(jié)構(gòu)進行放電實驗，在空氣環(huán)境中實現(xiàn)了陣列形式的彌散等離子體，能夠更好的適用于大面積材料處理。Shao 等人使用重復(fù)納秒脈沖電源在無介質(zhì)層的棒- 板電極結(jié)構(gòu)下，選取不同的放電間隙進行彌散放電發(fā)展形式的研究，發(fā)現(xiàn)隨著間隙的縮小，放電逐漸從間隙4.5cm 時的電暈放電向間隙3.5cm 的彌散放電發(fā)展，最終在2.5cm 處形成了電弧與彌散等離子體共存的放電狀態(tài)。但是使用惰性氣體存在復(fù)雜的氣路裝置，同時納秒脈沖電源價格昂貴，不能滿足廣大研究者的研究需求，因此高頻化、小型化的交流電源用于驅(qū)動空氣產(chǎn)生彌散等離子體展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，李冠一等人使用8kHz 的交流電源在峰峰值36kV 的電壓下，使用壁厚1mm 的石英玻璃管和ITO玻璃作為阻擋介質(zhì)，分別在玻璃管口內(nèi)徑2、4、8mm 的情況下實現(xiàn)了大氣壓空氣中的彌散等離子體，并且增加電壓至40kV，得到了無氣流作用的空氣單針射流。但目前仍未見有關(guān)30kHz 以上的高頻電源驅(qū)動空氣產(chǎn)生彌散等離子體的報道，且對于空氣等離子體光譜的報道也不常見。

基于此，本文在大氣壓空氣中建立高頻電源驅(qū)動的針-板電極DBD 平臺進行實驗，觀察放電空間中的等離子體產(chǎn)生情況，進一步分析空氣等離子體發(fā)射光譜，對空氣等離子體的實際應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 空氣放電實驗平臺的建立

本文在大氣壓空氣環(huán)境中進行放電實驗研究，建立了針- 板電極DBD 實驗平臺。實驗平臺裝置如圖1所示，主要包括電源裝置、等離子體發(fā)生器裝置、測量裝置等。

圖1 實驗平臺裝置圖

供電采用實驗室自制正弦交流高壓電源，輸出電壓峰峰值在0～25kV 之間連續(xù)可調(diào)，電源工作頻率為35kHz。等離子體發(fā)生器采用間距可調(diào)的針-板電極DBD 裝置，由銅針、銅板、石英玻璃管和陶瓷片組成，針電極直徑1mm，一端被打磨；板電極直徑38mm，厚度2.4mm；石英玻璃管外徑10mm，厚度1.5mm；陶瓷片的尺寸為100*50*1.5mm；針電極被固定在石英玻璃管中心位置，距離石英玻璃管口4mm，陶瓷片覆蓋在銅板電極上。電源輸出電壓使用采樣比例為1000:1 的Tektronix P6015A高壓探頭測量；電流使用采樣比例10:1 的Tektronix TPP0100 探頭測量，探頭采集信號輸入Tektronix DPO 2002B 數(shù)字示波器進行顯示。電流信號是測量串接在電路中的無感采樣電阻兩端電壓得到的。等離子體發(fā)射光譜使用Avantes 光譜儀采集，并用計算機記錄、分析。

2 空氣彌散等離子體產(chǎn)生實驗

2.1 實驗現(xiàn)象

當(dāng)施加電壓峰值超過6.7kV 時，針尖附近出現(xiàn)發(fā)光強度較低的淡紫色光暈，如圖2 中（a）所示，增加電壓放電依舊保持電暈狀態(tài)，但電暈發(fā)光層有所增加。當(dāng)電壓達到9.3kV 時，針尖和玻璃管之間出現(xiàn)通道形式的等離子體，陶瓷片上出現(xiàn)一個半徑約6mm 的淡紫色光斑，如圖2 中（b）所示。繼續(xù)增大電壓至11kV 時，放電產(chǎn)生的等離子體在整個放電空間的亮度更高，在陶瓷片上形成了半徑約8mm 的光斑，如圖2 中（c）所示。

圖2 間距10mm 時放電發(fā)展過程

2.2 電學(xué)特性

在產(chǎn)生彌散等離子體后，保存此時的外施電壓和回路電流波形，并選取部分周期進行展示，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 外加電壓與回路電流波形

由圖3 可知，電流只在每個正半周期固定出現(xiàn)1 次，電流幅值為mA 級別，電流峰值出現(xiàn)在電壓峰值前，負半周無明顯電流脈沖出現(xiàn)。這是因為采用的針-板電極結(jié)構(gòu)極不對稱造成的，與Sun 和郝等人的實驗現(xiàn)象一致。

圖4是將圖3 中電流脈沖展開后的結(jié)果，電流脈沖的寬度為300ns。

圖4 電流脈沖展開圖

3 空氣光譜粒子種類分析

為減少環(huán)境光線對光譜測量帶來的誤差影響，在黑暗環(huán)境下進行發(fā)射光譜采集，綜合光譜儀有效測量范圍，本實驗采集200～1000nm 范圍內(nèi)的波長，如圖5 所示。其中，波長280～470nm 之間主要包括氮分子第二正帶系、氮分子離子第一負帶系；波長在750～800nm 之間有1 條O原子譜線，分別如圖6、圖7 所示。

圖5 實驗捕獲光譜圖

圖6 第二正帶和第一負帶光譜圖

圖7 氧原子譜線

將280～470nm 范圍內(nèi)的主要波長進行標(biāo)定，如圖6 所示，發(fā)現(xiàn)第二正帶系下有6 個輻照度明顯的譜帶，其主帶頭波長分別是297.7nm、315.7nm、337.1nm、357.7nm、380.5nm、405.9nm；第一負帶系有1 條譜線，波長為391.4nm。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，種類最多、輻照度最強的譜線均屬于N2(C3Пu-B3Пg)即氮分子第二正帶系，這是因為空氣中的氮氣含量最大，電子最先與基態(tài)氮分子碰撞，從而使獲得能量激發(fā)到較高能態(tài)的氮分子N2（C3Пu），然后N2（C3Пu）自發(fā)躍遷回低能級的氮分子N2（B3Пg）時通過輻射光子hv 釋放能量。其中產(chǎn)生較高能態(tài)的氮分子N2（C3Пu）需要大約11eV 的能量，反應(yīng)過程如下。

除了氮氣的譜帶外，還捕獲到了777.5nm 的O 原子譜線，如圖6 所示。主要通過電子和O2分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生。

因為空氣中的氮氣含量遠大于氧氣，所以電子與氮氣分子的碰撞更多，表現(xiàn)為氮的譜線輻照度較大；此外，由于產(chǎn)生所需的能量比N2(C3Пu) 大，所以氮分子離子第一負帶系的譜線強度以及數(shù)量明顯少于氮分子第二正帶，這與實際測試光譜的結(jié)果一致。

4 結(jié)語

本文使用針-板電極介質(zhì)阻擋放電裝置在氣隙10mm的情況下產(chǎn)生了較為均勻的彌散等離子體并進行了空氣等離子體光譜分析，得到如下結(jié)論：

（1）彌散等離子體產(chǎn)生主要分為3 個階段，首先是電壓峰值在6.7～9.3kV 之間的電暈放電階段，放電形式穩(wěn)定且維持在電暈狀態(tài)，隨著電壓增加，發(fā)光強度有所增加；當(dāng)電壓達到9.3kV 后，放電發(fā)展為通道形式的等離子體；當(dāng)施加電壓達到11kV 后，放電產(chǎn)生的彌散等離子體充滿放電間隙。

（2）空氣等離子體光譜主要由6 條氮分子第二正帶系N2（C3Пu-B3Пg）譜帶、1 條氮分子離子第一負帶系譜線和1 條O 原子譜線組成。其中和主要是電子與基態(tài)氮分子碰撞產(chǎn)生，O 原子通過電子與O2分子碰撞產(chǎn)生。因為空氣中氮氣含量較多且產(chǎn)生N2(C3Пu) 所需能量比產(chǎn)生的低，所以氮分子第二正帶的譜線數(shù)量明顯多于其他種類。