討論針一板介質阻擋放電中電子能量空間分布

【摘要】本文測量了在大氣壓環境下的氬氣空心的針一板的放電等離子體當中原子和分子譜線空間強度的分布，對等離子體當中的電子能量空間分布進行了分析。實驗采用空心的針一板裝置進行放電，得到了放電等離子體弧，大約長3cm。在350～750帆的范圍之內進行發射光譜的采集，發現強度比較高的Nz第二正帶系的譜線、ArI譜線及強度比較弱的0I譜線。在實驗中測量了N2譜線、氬原子譜線及OI775.3m譜線的強度的空間上的分布，其結果表明：氨分子的譜線強度是由弧根開始逐步升高。在距離弧根有約12mm之時強度達到了最大值并且開始有下降趨勢；氬原子的譜線強度是由弧根直到弧梢開始逐漸降低；而氧原子的譜線強度是從弧根逐步升高，在離弧根有6mm時強度能夠達到最大值且開始下降。進行定性地討論等離子體弧當中電子的能量分布，發現了再距離弧根6mm之處電子的能量最高，在弧根處的電子能量為最低。

【關鍵詞】針一板介質；放電；電子能量空間分布

近幾年來，針板放電因為其在材料的滅菌消毒、表面改性、臭氧合成以及污染控制等相關領域的廣泛應用前景而引起人們十分大的興趣。在材料表面的改性當中，在針板放電而產生的等離子體在接觸材料表面之時，材料表面化學鍵由于較高能量電子而發生斷裂之后，再和等離子體當中其他的粒子形成了化合物，進而使得材料的表面性質發生了改變。由此能夠看出，在開展材料表面的處理之時等離子體當中電子能量的大小是一個十分關鍵的因素：若電子能量過大則極易損傷材料，過小則不能夠達到對材料表面進行改性的目的。所以弄清等離子體弧當中電子能量的分布規律，對于其實際應用有很重要的意義。然而據我們所知，對等離子體弧當中電子能量分布的研究還很少見。本工作采用空心的針一板裝置進行放電，產生大氣壓等離子體弧，對其上各點的N2第二正帶系譜線、Ar I譜線與O I譜線相對強度進行測量，得到譜線強度空間分布，對等離子體當中電子的能量分布進行了分析。

1.實驗裝置

空心的不銹鋼針內、外徑分別是1與1.3mm，通過45歐電阻進行接地。在工作時氬氣要在質量流量的控制器的控制下并導入空心針。直徑為8cm圓柱形的銅塊作另一電極，周圍利用絕緣塑料進行包裹，通過一個接線柱接入交流電源高壓端，上端采用厚度是1.5mm的玻璃板進行覆蓋。空心針末端到玻璃板的距離為4.5cm。交流電源的頻率為40kHz，其峰值電壓在o～12 kV范圍內連續可調。高壓探頭（Tektr0Ilix P6015A，1000Xd）用來測量電壓.由數字示波器（Agiknt.Ds06054A，500MHz）記錄并儲存。放電等離子體發出的光，經焦距為10 cm的透鏡會聚后由光纖導入光譜儀（型號：ACTON SP-2785，1340×400 pixels），通過計算機控制采集并存儲。實驗裝置如圖1所示。

2.結果與討論

在實驗時要向空心針當中通入氬氣并且將氣體流速控制到8.5mL·min-1，在外加的正弦交流電的壓峰值是7.5kV之時，針板間形成了大約3cm長的一個等離子體弧，如圖2所示。

首先進行了350～750nm范圍之內等離子體弧發射光譜，如圖3所示。在發射譜當中除很強的比較強的氮分子的第二正帶系譜線和氬原子譜線之外，還出現了比較弱的O I775.3m譜線與OH譜帶。

接著進行了第二正帶系、 ArI譜線及oI譜線在沿著等離子體弧空間分布，其結果如圖4所示。

由圖4可知：ArI譜線強度是由弧根直到弧梢逐步減小；N2第二正帶系的譜線是由弧根開始逐步增強，在距孤根12mm時達到了最大值之后開始有所下降；oI譜線強度是由弧根開始逐步升高，在距離弧根6mm時其強度達到了最大值之后開始逐步下降。

氬原子和氮分子的譜線的產生是因高能電子和基態氬原子與氮分子風聲碰撞，使得它們基態獲得了能量能夠躍遷到激發態，再由激發態躍遷到基態或是亞穩態，與此同時釋放出大量光能。

原子或是分子的譜線強度和上能級的粒子數成正比，但上能級的粒子數和碰撞截面能夠成正比，碰撞截面和電子能量有關，這是眾所周知的。在電子能量分別是13～15eV與17～18 eV之時，氬原子與氮分子發生碰撞激發的截面最大.在此時對應氬原子與氯分子的上能級的粒子數是最多的，且譜線強度最大。從相關文獻能夠了解到在電子能量是17～18eV之時氧原子發生碰撞激發的截面最大，在此時對應氧原子的上能級的粒子數為最多，因為解離氧分子需要電子能量是8.4eV，因此在電子總能量是25～26eV之時氧原子的譜線強度達到最大。依據以上數據的分析能夠得到對氬原子進行激發所需要的電子能量是最小的。對激發氮分子所需要的電子能量比較大，進行氧分子解離并且激發氧原子所需要的電子能量是最大的。從圖4（a）能夠看出氬原子的譜線強度是由弧根直到弧梢逐步減弱，說明了在13～15eV的范圍內能量的電子數目減少。圖4（b）當中氮分子的譜線強度是由弧根開始逐步增加，在距離弧根是12mm時其強度達到了最大然后下降，著說明能量在17～18eV范圍內的電子數日由弧根逐漸增加，到12mm時電子數目達到最大然后開始下降。在圖4（c）中氧原子譜線強度先增加后減小，說明能量在25～26eV范圍內的電子數日由弧根開始逐漸增加，當距離弧根為6mm時數目達到最大后隨著距離的增加具有高能最的電子數目開始下降。以上的分析表明：在弧根處電子的能量最低，在距離弧根為6mm處的電子能量最高，在距離弧根為12mm處的能量介于兩者間。

3.總結

本文研究了在大氣壓環境之下氬氣空心的針一板進行放電時等離子體中原子的空間分布。采用空心針一板放電裝置得到長度約3cm的一條放電等離子體弧，本文的結果對大氣壓的非平衡等離子體材料的處理和理論的研究方面具有著一定程度上的指導意義。

參考文獻

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