利用光學方法研究單針射流等離子體的產生和發展機制

李永輝， 甘延標， 董麗芳

(1. 北華航天工業學院 基礎部, 河北 廊坊 065000; 2. 河北大學 物理科學與技術學院, 河北 保定 071002)

1 引 言

大氣壓射流等離子體具有化學活性高、溫度低等特點，并且可以將產生的等離子體直接噴射到空氣當中，擺脫了放電電極結構的限制，因此近年來受到廣泛關注。產生大氣壓射流等離子體的裝置很多，例如單針電極、針-板電極、針-筒電極、同軸電極等[1-3]。其中單針電極因結構簡單、外加電場方向和氣流方向一致、更容易產生大尺度的等離子體而備受關注。另外單針電極的曲率比較大，可以在較低的電場下得到緩慢發展的電子崩，從而獲得高電子密度的等離子體。2007年，韓國的 Hong等利用空心針電極在介質管內得到了60 cm長的射流等離子體，并且利用噴出的等離子體對老鼠組織進行了處理[4]。2007年，Li在大氣壓氬氣中利用單針電極實現了輝光放電[5]，2009年，盧新培利用脈沖電源激勵的空心針電極在開放的空氣中得到射流等離子體[6]，2011年，李雪辰小組利用單針電極在大氣壓空氣中產生了均勻放電[7]。2016年，本小組利用單針電極在介質管內得到了上百厘米的射流等離子體[8]。可見，單針電極對于實現大尺度均勻放電具有一定的優勢。一般認為射流放電等離子體是以“等離子子彈”[9-10]的方式向前傳播，等離子子彈其實質是放電通道內電子崩頭部向前傳播所形成，因此射流等離子體的長度主要是由電子崩頭部的能量決定。本工作利用光學方法研究了單針放電射流等離子體的傳播機制，發現放電通道內的電子崩所形成的空間電荷不僅影響等離子體的長度，而且影響著二次放電甚至三次放電的產生。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，其主體為一根內徑0.7 mm、外徑0.8 mm的空心針管，針管與交流高壓電源的輸出端連接，工作氣體為氬氣，從空心針管噴出參與放電。高壓電源能夠輸出交流電的頻率40～60 kHz(可調)，輸出電壓幅值0～15 kV(可調)。電源輸出電壓由高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)分壓后，連接示波器(Agilent,DSO6054A, 500 MHz)測量記錄，另外放電光信號由光電倍增管(PMT：濱松H7826)采集，通過示波器記錄存儲，放電發射光譜通過CCD光譜儀采集(ACTON SP2750)，連接電腦存儲記錄。

圖1 實驗裝置示意圖

3 結果與討論

3.1 等離子長度與外加電壓的關系

影響等離子體長度的因素很多，例如電極結構、外加電壓、氣流等。本文主要研究了外加驅動電壓對等離子體長度的影響。隨著驅動電壓的升高，放電通道內電子崩頭的能量應越高，等離子體的長度也應該越長，但是實驗中發現，等離子體長度與外加電壓并不是簡單的線性關系。固定氣體流量為0.4 L/min(對于本裝置，該流速為層流狀態)，外加電壓頻率固定為50 kHz，逐漸升高電壓，等離子長度與外加電壓關系如圖2所示。電壓較低的情況下(8～9.3 kV)，放電只在針尖周圍發生，等離子體長度約為1.75 cm。隨著電壓升高，等離子長度略有增加。當外加電壓升高到9.9 kV時，等離子體長度迅速增加到約3.25 cm，隨著電壓繼續升高到10.4 kV,等離子體長度逐漸增加到3.3 cm。但是當電壓升高到10.6 kV時，等離子體長度突然縮短。電壓繼續升高等離子體長度又開始增加。但是升高電壓到11.4 kV之后，隨著電壓增加等離子體長度逐漸變短。可見等離子體長度并不是單純地隨著電壓的升高而增加，在有些情況下，雖然外加電壓增加，但是等離子體的長度反而變短了。

圖2 等離子體長度與外加電壓幅值的關系

為了澄清在升高電壓的過程中等離子體長度的變化機制，我們利用光電倍增管采集了不同電壓下的等離子體發光信號，如圖3所示。從圖中可見，當電壓較低時(8～9.3 kV)，在外加電壓的正負半周各有一次放電，正半周放電光信號明顯，而且相鄰正半周信號長短交替，為“倍周期”模式。當電壓升高到9.9 kV，正半周放電脈沖數增加為兩個，而且第一個光信號強度增加，該電壓下我們觀察到等離子體長度突然增加。當電壓繼續升高到10.6 kV時，正半周第一個光信號強度逐漸減小，第二個光信號強度增加，此時我們觀察到的等離子長度逐漸減小。隨著電壓繼續升高，第一個光信號強度增加，觀察到的等離子長度也逐漸增加。電壓繼續升高到11.4 kV，從光信號可以看出，在正半周出現第三個放電脈沖，等離子長度略有下降，隨電壓繼續升高，第三個脈沖光信號逐漸增加，我們觀察到的等離子長度逐漸減小。綜上所述，等離子長度與外加電壓不是單純的線性關系，等離子長度與正半周放電脈沖數目有關，另外還與能量在放電脈沖之間的分配有關。

圖3 不同外加電壓下等離子體的發光信號，外加電壓頻率都為50 kHz。

3.2 等離子體光信號的空間分布

隨著電壓升高，在外加電壓的正半周會出現多個放電脈沖，脈沖之間相互作用，影響著等離子體的產生和向前發展機制。為了研究脈沖之間的相互作用，我們測量了等離子體通道內不同位置的光信號。我們自制了一個圓柱形光闌，在筒的底部開一個1.5 mm寬的豎直狹縫，然后將光闌套裝在光電倍增管上。將發光等離子體利用凸透鏡成一個放大的實像，然后將光電倍增管擺放在實像所在平面的位置，移動倍增管的位置，等離子體內不同位置的光信號就可以進入到倍增管當中，經過示波器記錄存儲。本實驗分析了正半周有兩個放電脈沖的情況，不同位置的光信號如圖4所示。從圖4中可以看出，負半周只有一個脈沖，負半周脈沖強度沿著等離子體軸向逐漸減弱，在3.0 cm、3.5 cm處，負半周脈沖消失。正半周放電包含有兩個脈沖，這兩個脈沖有明顯的區別。第一個脈沖在針尖位置產生，沿著等離子體軸向，脈沖強度逐漸增大，到達2.0 cm處，強度達到最大值，然后脈沖強度逐漸減小，在3.5 cm處，脈沖消失。第二個脈沖并不是在針尖處產生，而是在距離針尖1.5 cm處開始出現，沿著等離子體軸向，脈沖強度逐漸增大，到達3.0 cm處，強度達到最大值，然后減小。可見正半周第二個放電脈沖并不是從針尖電極處開始產生，而是在等離子體通道內某個位置產生。

圖4 等離子體通道內不同位置的光信號

3.3 電子激發溫度的空間分布

電子激發溫度是等離子體的一個重要物理參量。本實驗中采集到的光譜主要為氮分子第二正帶譜線(300～400 nm)和氬原子譜線(600～800 nm)。我們利用氬原子763 nm和772 nm兩條譜線強度比計算了電子激發溫度，進一步研究了電子激發溫度沿著等離子體軸向的空間分布。電子激發溫度的空間分布情況如圖5所示。在針尖位置電子激發溫度約1 900 K，沿著等離子體軸向，電子激發溫度逐漸升高，在等離子中部達到最高約2 500 K，然后電子激發溫度逐漸降低，在等離子體尾部達到最小約1 750 K。在本裝置放電中，負半周放電發光微弱，因此光譜儀采集的光譜主要反映的是正半周放電的情況。同理，我們得到的電子激發溫度反映的也是正半周放電的情況。電子激發溫度代表著電子能量的高低，在正半周放電中，電子能量在等離子體中部達到最大，而不是在針電極附近。

圖5 等離子體內電子激發溫度的空間分布情況

在單針電極系統中，由于缺少了壁電荷的影響，電子激發溫度主要受到外加電場和空間電荷形成的附加電場的影響。在外加電壓的正半周，針電極為陽極，隨著電壓升高，針尖附近的氣體被電離，電子向著陽極移動，最終被金屬的針電極吸收。正離子由于質量大，移動速度慢，在針電極附近就會積累形成正極性的空間電荷。在遠離針電極的區域，此時外加電場的方向與空間電荷所形成附加電場的方向是一致的，所以可以促進放電繼續向前發展，因此電子激發溫度也逐漸升高。但是隨著距離針電極的距離增大，外加電場會逐漸減小，最終外加電場和空間電荷附加電場形成的疊加場也會逐漸減小，因此電子激發溫度也會逐漸降低。隨著第一次放電的向前發展，空間就會積累正的空間電荷。在針電極和積累的空間電荷之間的區域，外加電場方向與空間電荷形成的附加電場的方向是相反的，因此在這個區域，凈電場會減小。在遠離針電極的區域，外加電場和空間電荷形成的附加電場方向一致，隨著外加驅動電壓的升高，在這個區域就可以形成二次放電，甚至三次放電。

4 結 論

本實驗研究了單針射流等離子體的產生和發展機制，在射流等離子體發展過程中，空間電荷有著重要的作用，空間凈電場由外加電場和空間電荷產生的附加電場共同決定。在靠近針電極的區域，空間電荷限制了放電的再次發生，而在遠離針電極的區域，空間電荷促進了二次放電甚至三次放電的產生。外加驅動電源輸入能量在多次放電脈沖之間進行分配，這也導致了等離子體的長度并不是簡單地隨外加電壓升高而增長。由此可見，空間電荷對于等離子體的空間電場、電子激發溫度以及新的放電的產生有著重要的影響，通過研究改變空間電荷分布，對于實現大尺度等離子體有著重要的意義。