鋸齒波激勵氬氣介質阻擋放電的發光特性

李雪辰，吳凱玥，張 琦，楚婧娣，王 彪，賈鵬英

(河北大學物理科學與技術學院 河北省光電信息材料重點實驗室，河北 保定 071002)

1 引 言

大氣壓放電產生的多種活性粒子在眾多領域中具有廣泛的應用前景。例如，在工業領域可用于材料的表面處理[1]、臭氧合成[2]及污染物處理[3]等，在生物醫療領域可用于殺菌消毒[4]等。因此，大氣壓氣體放電產生的非平衡態低溫等離子體受到了大量關注。

大氣壓非平衡等離子體最常用的產生方法是介質阻擋放電(DBD)。它的特點是有絕緣介質插入電極之間。對于不同的氣體種類、電壓幅值和驅動頻率，DBD從放電形貌上可分為隨機絲、斑圖和均勻放電3種形式[5]。相比較而言，大氣壓均勻DBD對工業應用(特別是材料處理等應用)尤為重要。關于均勻DBD的研究，早在1988年，Okazaki等就在大氣壓氦氣中得到了均勻放電[6]。進一步的研究發現，均勻放電從放電機制上劃分可分為兩種：大氣壓輝光放電(APGD)和大氣壓湯森放電(APTD)[7]。在APTD中，電場是均勻分布的；而在APGD中，電場會在陰極附近達到最大值，形成陰極位降區。Massines等最先證實了氦氣中均勻DBD的機制屬于APGD[8]。除了氦氣，在其他工作氣體如氮氣、混合丙酮的氬氣中也產生了均勻DBD[9]。Trunec等最先獲得了氖氣中的均勻DBD，并研究了電壓幅值、頻率和氣流對氖氣DBD的影響[10]。研究表明，氖氣中的均勻DBD和氦氣中類似，仍屬于APGD機制[11]。Brandenburg等也證實了氦氣和氖氣中的均勻放電屬于APGD機制，并將該均勻放電的成因歸功于低電場下存在的較高離化率[12]。與稀有氣體中的APGD不同，研究發現純氮氣中的DBD屬于APTD[9,13]。Osawa等發現除了氮氣和空氣，在較低驅動頻率的情況下，氦氣DBD也可以運行于APTD機制[14]。除了驅動頻率影響外，Bogaczyk等指出在放電氣隙間距較小的情況下，得到的氦氣DBD也屬于APTD機制[15]。

上述DBD都是正弦電壓激勵的，而非正弦電壓激勵的DBD與之在放電特征上有所不同。例如，采用納秒脈沖激勵空氣DBD，可以產生均勻放電，隨著氣隙間距增大，該均勻放電轉換為非均勻的絲狀放電[16]。Yu等還發現納秒脈沖激勵DBD，電壓的頻率會影響放電的形貌[17]。Ayman等對比研究不同外加電壓波形對沿面DBD放電特性的影響，發現在正弦波和鋸齒波驅動下放電呈絲狀，而在脈沖和方波驅動下可以獲得均勻放電[18]。Bogaczyk 等發現氣隙間距為1 mm的氦氣DBD，在正弦波激勵時屬于APTD機制，方波激勵時屬于APGD機制，而鋸齒波激勵時，在一個電壓周期下放電機制由APTD轉化為APGD。然而，他們僅通過放電電流和氣隙電壓來判定放電機制[15]。此前，本小組采用數值模擬，研究了鋸齒波激勵小氣隙間距的氦氣DBD，獲得了階梯狀放電，并發現其放電機制屬于APTD[19]。

針對于此，本文采用鋸齒波激勵微間隙氬氣介質阻擋放電裝置，實驗上獲得了具有放電平臺的階梯放電模式。通過ICCD對放電過程中的時間演化進行詳細的研究，分析其放電形成機制。利用放電的發射光譜，對電子激發溫度和分子振動溫度進行了研究。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，兩個圓柱形的水電極對稱放置(內直徑為28 mm)，每個水電極上分別覆蓋0.5 mm厚的石英介質板。兩介質板之間的氣隙間距固定為300 μm。該放電裝置被放置在開放的空氣環境中。采用純度為99.999%的氬氣，以恒定流速Q=4.0 L/min通入氣隙中。其中一個水電極連接高壓放大器(Trek 20/20C-HS)，其輸出端產生的鋸齒波電壓由相連的信號發生器(Tektronix AFG3052C)提供輸入信號。另一個水電極接地。利用高壓探頭(Tektronix P6015A)對外加鋸齒波電壓進行測量。通過陽極與地之間串聯小電阻(R=1 kΩ)上的分壓，采用電壓探頭(Tektronix P6139A)來測量放電電流。外加電壓和放電電流通過示波器(Tektronix DPO4104)同步進行顯示和存儲。利用光電倍增管(PMT)(ET 9085SB)來探測放電的發光信號。放電的發射光譜通過連接光纖探頭并配置有CCD(PIXIS 400,1 340×400 pixels)的光譜儀(ACTON SP-2750)對其進行采集。利用ICCD(Andor DH334)研究放電的時間演化情況。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

3 實驗結果與分析

圖2給出了不同鋸齒波峰值(Up)下外加電壓和放電電流的波形圖。放電電流是由全電流中扣除相應的位移電流得到的。當鋸齒波頻率為0.3 kHz時，對應每半個電壓周期放電電流均出現一個放電平臺，此時放電為階梯放電。這與此前在數值模擬上得到的結果一致[19]。對比通常得到的脈沖放電，在低頻率鋸齒波驅動下形成的階梯放電其放電平臺能達到ms量級的時間尺度，這明顯高于脈沖放電產生的脈沖所能達到μs量級的時間尺度[20]。隨Up增加，放電平臺的持續時間和幅度隨之增加。也就是說，隨Up增加，放電平臺階段的時間占整個鋸齒波電壓周期的比例(占空比)增加。由此可知，在較低鋸齒波頻率下的DBD可通過增加Up來得到具有高占空比的低溫等離子體。并且在該頻率下，增加Up放電仍然處在階梯放電模式下。這表明，鋸齒波激勵與正弦波激勵的不同之處在于外加電壓峰值并不是影響放電模式的決定性因素(低于10 kV)。

圖2 不同Up下外加電壓和放電電流的波形圖，頻率0.3 kHz。
Fig.2 Waveforms of the applied voltage and the discharge current under differentUpat a frequency of 0.3 kHz

從圖2還可以看出，對于Up=1.4 kV時，其正半周期的起始電壓出現在正半周期的上升沿，而隨Up的繼續增加(Up=4.0,6.0,10.0 kV)，其起始電壓前移，會在負半周期的下降沿出現，起始電壓值為負。這里提到的起始電壓并不是電壓的絕對值。因此，起始電壓值隨Up的增加而降低。產生這種現象的原因在于，隨Up增加放電會產生越來越多的殘余電荷并積累在介質板表面，其產生的電場降低放電所需的外加電壓，從而使得放電的起始電壓降低，因此導致放電可能出現在電壓的下降沿階段[21]。

為了研究階梯放電的形成機制，采用ICCD對單個放電平臺的時間演化進行了拍攝，如圖3所示。其拍攝時刻已經在波形圖中標注，圖中用實線和虛線分別表示瞬時陽極和瞬時陰極。在(a)時刻，氣隙中無放電。隨時間延遲到(b)時刻，能夠在氣隙中觀察到微弱的發光。盡管放電很微弱，但可分辨出發光強度是由瞬時陰極向瞬時陽極逐漸增強的。相比于(b)時刻，(c)時刻的發光強度增大。而在整個放電平臺階段，發光的區域和強度保持不變，如圖3(c)和(d)所示。在(e)時刻，放電裝置的上電極和下電極的極性出現反轉，因此此時最大發光強度仍靠近瞬時陽極附近。

圖3 曝光時間30 μs 的ICCD拍攝階梯放電的時間演化情況，每張照片疊加100個周期。對應的時刻(a)～(e)由頂圖顯示，Up=10 kV。
Fig.3 Temporal evolution of the stepped discharge captured by the ICCD with an exposure time of 30 μs,which every image is an accumulation of 100 shots.Time moments (a)-(e) correspond to those shown in the top figure,Up=10 kV.

在較低頻率下，放電的電子雪崩發展水平低，其產生的空間電荷對外電場的影響小，外電場仍能保持均勻分布，放電表現為APTD。在APTD中，電子雪崩由瞬時陰極向瞬時陽極發展，因此電子密度呈現e指數增長，在瞬時陽極附近達到最大值。則APTD的發光是由瞬時陰極向瞬時陽極逐漸增強的。對于較高頻率下，電子雪崩的發展水平高，由于正電荷遷移速度慢，在陰極附近能形成陰極位降區，放電表現為APGD，即陰極附近出現發光強度最大值。由圖3 的放電時間演化情況可以判斷，階梯模式的DBD應屬于APTD機制[14]。

階梯放電的放電平臺由外加電壓的斜率與介質電壓的斜率的比值決定，其比值又是由電子雪崩的發展水平決定[19]。在較低頻率的情況下，鋸齒波電壓的斜率很小。因此，在電極間僅產生少量的電子雪崩，使得在氣隙中具有較小的離子密度。此時正離子的數量較少，則源于激發態的分子碰撞產生的陰極二次電子發射就不能被忽視[22]。隨放電的進行外加電壓的斜率與介質電壓的斜率相等，此時放電電流就保持恒定，由此出現階梯放電的放電平臺。

圖4 放電的發射光譜(Up=10 kV，Q=4 L/min)Fig.4 Optical emission spectrum from the DBD(Up=10 kV，Q=4 L/min)

圖4給出放電在波長300～800 nm范圍內的發射光譜。從圖中可以看出，放電發射光譜中存在多條躍遷譜線，這表明在放電過程中電子碰撞將氣體原子(和分子)激發到多種高激發態，激發態粒子退激發時發射出多條特定譜線。從圖中可以觀察到氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πu)波長為337.1，357.6，380.4，405.8 nm的譜線。氮分子譜線的出現主要源于環境空氣中的氮氣擴散到工作氣體中。

e+N2(X)→e+N2(A,B,C),

(1)

同時，還發現了OH(A2∑+→X2Π)波長為308.8 nm和616.0 nm的譜線，這是由于外界環境中的空氣存在少量的水蒸氣滲入到工作氣體中。由于在氣體間隙中Ar氣流的沖刷作用，滲入到間隙中的空氣含量很少，因此氮分子和OH發射譜線相比于Ar的發射譜線要低很多。

e+H2O(X)→e+H+OH(A2Σ+→X2Π),

(2)

發射譜中除了ArⅠ750.4 nm譜線，在波長650～800 nm范圍內還發現了696.5，706.7，714.7，727.3，738.4，750.4，763.5，772.4，794.8 nm等譜線。這些氬的原子譜線主要來源于氬與電子發生碰撞激發、碰撞離化和隨后的輻射復合。這些高強度ArⅠ譜線的存在說明放電產生了大量的活性粒子，即這種介質阻擋放電具有很高的化學活性。活性粒子產生途徑如下：

e+Ar→Ar(4p,4s)+e,

(3)

e+Ar→Ar++2e,

(4)

(5)

e+Ar+→Ar(4p,4s),

(6)

(7)

由于OH對于低溫等離子體應用具有重要作用，我們對其譜線強度進行了研究。發現OH(308.8 nm)的譜線強度隨Up增加而單調增加，結果如圖5所示。

圖5 OH譜線強度(308.8 nm)隨Up的變化關系Fig.5 Spectral line intensity of OH(308.8 nm) as a function of Up

OH作為一種強氧化劑[23]，能夠在工業等領域用于氧化降解，因此圖5說明增大峰值電壓有利于增大化學反應效率。這是因為，電壓峰值增大的過程中，放電的占空比增大(圖2)，則一個周期中放電產生的電子數量增加，導致電子與水分子的碰撞次數增加，從而使得在一個放電周期中產生的OH譜線強度會隨著外加鋸齒波電壓峰值的增加而增大。

圖6給出了利用玻爾茲曼擬合計算得到的電子激發溫度和分子振動溫度隨Up的變化關系。電子激發溫度的變化范圍為9 000～10 800 K，分子振動溫度的變化范圍為840～1 930 K。并且，隨外加鋸齒波電壓峰值大，電子激發溫度降低，而分子振動溫度升高。產生這種現象可以解釋為，隨外加鋸齒波電壓峰值的增加，放電的占空比增大，即單次放電產生的電子數目和活性粒子增加。在這些電子和活性粒子共同作用下，放電的擊穿電場降低。這直接導致了電子能量會隨著峰值電壓的增大而降低，表現為電子激發溫度隨著峰值電壓的增大而降低。但對于分子振動溫度而言，電子能量隨峰值電壓的增大而降低會導致分子振動溫度的降低，但另一方面峰值電壓的增大會增加電子與中性粒子的碰撞次數，導致分子振動溫度的升高。在兩個因素的共同作用下，分子振動溫度表現為隨峰值電壓的增大而降低。

圖6 電子激發溫度和分子振動溫度隨Up的變化關系Fig.6 Excited electron temperature and molecular vibration temperature as functions of Up

圖7通過對ArⅠ(750.4 nm)強度進行對比，發現相同峰值電壓下鋸齒波激勵DBD比正弦波激勵DBD的譜線強度大。對于大氣壓介質阻擋放電，通常情況下采用正弦波交流電源進行激勵。例如，Tang等采用正弦波交流電壓激勵DBD，研究發現當向工作氣體空氣中混入氬氣時，放電表現為多脈沖的絲狀放電模式，放電的發射光譜中包含氮分子的第二正帶系、OH(A2∑+→X2Π)和ArⅠ譜線[24]。通過對比，我們發現鋸齒波激勵DBD與正弦波激勵DBD的發射光譜中所包含譜線種類一樣。但是，由于鋸齒波激勵DBD比正弦波激勵DBD每個周期的放電持續時間更長，因此在相同曝光時間下，鋸齒波激勵DBD的譜線強度會更大。

圖7 正弦波激勵DBD和鋸齒波激勵DBD下Ar Ⅰ(750.4 nm)譜線強度隨Up的變化關系
Fig.7 Spectral line intensity of ArⅠ(750.4 nm)by DBD excited by the voltage of sine wave and saw-tooth wave as functions ofUp

4 結 論

利用微間隙平行平板DBD裝置在大氣壓條件下產生了非平衡態低溫等離子體，并用光學方法對其放電特性、放電機制和光譜特性進行了研究。在鋸齒波電壓激勵下，發現DBD表現為放電電流具有平臺狀的階梯放電。并且，隨外加鋸齒波電壓峰值的增加，放電平臺的持續時間和幅值隨之增加。對階梯放電中單個放電平臺的時間演化情況進行分析，發現階梯放電的放電機制屬于大氣壓Townsend放電機制。對波長300～800 nm的放電發射光譜進行采集，發現發射光譜中包含氮分子的第二正帶系(C3Πu→B3Πu)、OH(A2∑+→X2Π)和ArⅠ的特征譜線。通過測量OH(308.8 nm)的譜線強度，發現其隨鋸齒波電壓峰值的增大而增大。采用波爾茲曼擬合的方法，對不同電壓峰值下的電子激發溫度和分子振動溫度進行了測量計算，發現電子激發溫度隨鋸齒波峰值電壓的增大而減小，而分子振動溫度隨鋸齒波電壓峰值的增大而增大。通過對Ar Ⅰ(750.4 nm)強度進行對比，發現相同峰值電壓下鋸齒波激勵DBD比正弦波激勵DBD的譜線強度大。

介質阻擋放電作為一種產生低溫等離子體的重要方法，通常采用正弦(幾千赫茲或射頻)和納秒脈沖激勵。然而，在這些方式激勵下介質阻擋放電一般表現為脈沖模式。在脈沖放電模式中，放電時間占外加電壓周期的時間(定義為放電的占空比)較小。也就是說常規激勵的DBD具有較低的占空比。本文采用鋸齒波激勵介質阻擋放電能夠形成具有高占空比的階梯放電。并且，鋸齒波激勵DBD屬于大氣壓湯森放電機制的均勻模式放電，這對于需要均勻等離子體的應用領域也具有一定價值。

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李雪辰(1976-)，男，河北保定人，博士，教授，2005年于中國科學院物理研究所獲得博士學位，主要從事氣體放電光學診斷等方面的研究。

E-mail:plasmalab@126.com

賈鵬英(1976-)，女，河北保定人，副教授，主要從事氣體放電、高壓靜電等離子體除塵等方面的研究。

E-mail：jiapengying@mail.hbu.edu.cn