基于連續譜的氬氣納秒脈沖放電中電子溫度的研究

2021-08-17 02:50:06陳傳杰樊永勝方忠慶王媛媛孔維賓王如剛

光譜學與光譜分析 2021年8期

陳傳杰，樊永勝，方忠慶，王媛媛，孔維賓，周鋒*，王如剛

1. 鹽城工學院信息工程學院，江蘇鹽城 224051 2. 鹽城工學院光電信息技術研究所，江蘇鹽城 224051 3.鹽城工學院汽車工程學院，江蘇鹽城 224051

引言

大氣壓納秒脈沖放電(nanosecond pulsed discharge, NPD)可以在極短的時間內在驅動電極上施加數萬甚至數十萬伏的電壓，從而能夠在放電間隙獲得很高的約化電場強度[1]。在強約化電場作用下，放電會產生大量的高能電子，這不僅可以有效地生成活性基團，而且能夠抑制中性氣體被過度加熱。NPD是最為典型的低溫等離子體之一，其非平衡特征表現為等離子體中各種粒子的各種運動自由度之間處于非平衡的狀態，其中最顯著的是電子溫度遠高于中性氣體溫度(Te?Tg)[2]。因此，NPD被廣泛應用于輔助燃燒、生物醫學、材料制備、表面改性和環境保護等領域[3]。

不同的低溫等離子體應用對于放電狀態參數的要求不盡相同，其中包括氣體溫度、電子密度和溫度以及活性粒子密度，等等[3]。電子溫度是衡量等離子體中電子能量的物理量，而電子又是等離子體中最活躍的組分，它直接或間接決定著絕大部分的物理化學過程。光譜是等離子體診斷最為常用的手段之一，其中電子溫度的診斷方法大致有： (1)玻爾茲曼斜率法[4]；由于氣體放電中處于高能級的原子或離子的激發與退激發平衡過程由電子碰撞主導，所以高能級激發態粒子趨于玻爾茲曼平衡分布，其激發溫度可以表征高能電子的能量分布特征。當服從麥克斯韋分布時，激發溫度近似等于電子溫度； (2)碰撞輻射模型法[5]是通過建立粒子的碰撞和輻射模型，從而確立激發態粒子譜線強度與電子溫度之間的關系； (3)連續譜法[6]；由于等離子體中的連續譜主要來自電子與中性粒子或離子的軔致輻射以及電子與離子的復合輻射過程，所以連續譜是電子密度和溫度的函數。通過考察連續譜可以確定放電中的電子溫度； (4)湯姆遜散射技術是一種主動式的光譜診斷方法[7]，獲得主體(低能)電子的特征能量，并在熱平衡分布條件下近似等于電子溫度。其中，(1)—(3)屬于發射光譜法，具有無擾動、設備造價相對較低、實驗操作簡單等優點。

針對NPD中電子溫度的診斷研究，Huang等[5]在氦氣放電中通過建立碰撞輻射模型來確定電子溫度與氦氬原子譜線強度比值之間的關系，得到了等離子體中的電子溫度約為1.5～2.2 eV。Roettgen等[8]利用湯姆遜散射法研究了100～200 Torr氣壓下氦氣NPD中電子溫度和密度的時空分布特征。本文采用了針-針的電極結構和氬氣為工作氣體，通過施加過電壓產生可以穩定重復的大氣壓納秒脈沖放電，提出了基于連續譜的診斷方法來研究脈沖放電過程中電子溫度的時間演化，進而評估NPD的非平衡狀態，并結合光譜特性定性分析了脈沖放電的物理過程。最后，還深入探討了納秒脈沖放電中連續譜診斷法的相關問題。

1 實驗部分

1.1 裝置

圖1(a)是本實驗裝置示意圖。大氣壓納秒脈沖放電采用非對稱的金屬針電極結構(上電極φ1.0 mm，下電極φ3.2 mm)，其中上電極連接高壓納秒脈沖電源(NPG-18/3500，Megaimpulse)，下電極通過一個72.5 Ω電阻接地，避免放電擊穿后電路發生短路[9]。脈沖電源的調制頻率為300 Hz。金屬針采用鎢材料，兩者間距約為4.2 mm。為了防止外界空氣干擾純氬氣放電，實驗將整個放電系統設置在尺寸為15 cm×15 cm×15 cm的密封腔室中。放電腔室連通有三個進出氣口，分別為載氣進氣口，出氣口和抽氣口。載氣進氣口連接著質量流量控制計(MKS GE50A)和高純氬氣源(99.999%)。出氣口安裝有單向的壓力控制閥，用于排出腔室中的氣體來保證大氣壓強并防止空氣進入。抽氣口連接一個機械真空泵(nXDS Edwards)。在每次放電前，重復充入和抽出工作氣體三次以上，達到清洗腔室的目的。

電學測量系統包括高壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Pearson electronics 2878)，其中高壓探頭連接到上電極，電流探頭位于電阻與接地之間，并都連接到數字示波器上(RIGOL DS1204B)。本實驗中的電流信號僅包含傳導電流，而位移電流可以忽略不計。將納秒脈沖電源連接到一個自制的真空電容上，通過測量其電壓與電流信號，并根據i=Cdu/dt關系確定兩個探頭(包括同軸連接線)之間的延遲時間[9]。圖1(b)是經校正的納秒脈沖放電中電壓與電流的波形圖。

光譜測量系統是由光學透鏡和光譜儀組成。放電產生的光透過放電腔室上的石英介質窗口，經透鏡成1∶1的像耦合到單色儀的狹縫中。光信號經過單色儀分光(Andor Shamrock 303i，配備150，1 800和2 400 g·mm-1光柵)，將光譜成像在側出口的ICCD(Andor iStar DH340T-25U-3)上并進行記錄。ICCD與納秒脈沖電源的觸發同步由信號發生器(Tektronix AFG2021)進行控制。本實驗采用消色差三合透鏡(UV-NIRf=90 mm, Edmund Optics)來消除成像色差。由標準光源(Energetiq EQ-99 LDLS)確定整個測量系統的相對光譜靈敏度，即光源的實驗光譜與其標準輻射譜的比值。

圖1 大氣壓針-針納秒脈沖放電(a)：實驗裝置示意圖； (b)：電壓和電流波形圖Fig.1 Atmospheric pressure pin-pin nanosecondpulsed discharges(a)： Schematic of experimental setup; (b)： Waveforms of voltage and current

1.2 連續譜輻射模型

等離子體放電中的連續譜主要來源于電子與中性粒子、離子的軔致輻射以及電子與離子的復合輻射[6]。在大氣壓條件下，由于中性粒子數密度較大，所以大氣壓放電的連續譜大部分來自電子與中性粒子的軔致輻射[10]，其輻射強度表示為[6]

(1)

式(1)中，ne和na分別為電子和中性粒子數密度，Qea為電子與中性粒子軔致輻射的碰撞截面，f(E)為電子能量分布函數。在模型中，電子服從麥克斯韋分布

(2)

將式(2)代入(1)式中，整理得到

(3)

圖2是不同電子溫度條件下300～800 nm的歸一化連續譜。隨著電子溫度的增加，短波長的連續輻射強度增加，但是變化幅度卻不斷減小。當Te>1 eV，連續譜對電子溫度響應最為敏感的波長范圍在300～400 nm。雖然NPD中較高的電子密度(～1016cm-3)會導致其他兩個輻射過程增強，但是Park等[10]研究表明在p=760 Torr，ne/na～10-3，Te≥1 eV時，εea對連續譜的貢獻仍然是主要的。

圖2 不同電子溫度條件下歸一化連續輻射譜Fig.2 The normalized continuum radiation spectrafor different electron temperatures

2 結果與討論

從圖1(b)可知，脈沖放電的持續時間約為20 ns。圖3是不同時刻的發射光譜，其發光強度由光譜相對響應曲線進行了校正。光譜中包含有氬原子譜線(Ar(5p-4s)和Ar(4p-4s))和連續譜，而其他雜質分子(如N2和OH)的譜帶可以忽略不計。

實驗發現，連續譜的輻射強度隨著時間先增加后減小：ε10 ns>ε5 ns≈ε15 ns>ε20 ns。根據式(3)可知，連續譜輻射強度與電子密度成正相關。因此，在t<10 ns時，電子密度迅速增加，而t>10 ns則開始減少。根據放電傳導電流與電子密度成正比，從電流波形圖1(b)中也可以驗證電子密度具有上述的變化規律。然而，氬原子的譜線強度隨著時間(0

圖4是利用連續輻射模型來研究不同時刻的氬氣納秒脈沖放電中的電子溫度。結果表明，當0

圖3 不同時刻下的大氣壓氬氣納秒脈沖放電的發射光譜

在t=5～10 ns放電階段，連續譜法得到電子溫度約為(1.4±0.2) eV，如圖4(b)所示。當t>10 ns時，隨著驅動電壓的下降，電子溫度開始從1.4 eV減小到0.9 eV，如圖4(c, b)所示。當t>20 ns時，脈沖放電處于復合狀態，實驗已經無法獲取高信噪比的連續譜(圖3)。

根據上述電子溫度和密度的變化規律，我們分析認為在t≤10 ns過程中，激發態氬原子主要產生于電子與基態氬原子的碰撞激發過程[11]

e+Ar→e+Ar*

(R1)

因此，激發態氬原子密度隨著電子密度的增加而增加。當t>10 ns時，隨著電子溫度和密度減小，激發態原子則主要產生于電子與離子的復合過程[11]

(R2)

將0.5%的水蒸氣添加到氬氣中，觀察OH(A-X, 0-0)的發射光譜如圖5所示。研究發現，OH(A,ν′=0)的振轉分布不服從玻爾茲曼平衡分布。Bruggeman等[12]研究認為OH(A)的能級分布與其產生損失過程密切相關。在氬氣放電中，OH(A)有如下的產生過程[12]

e+H2O→OH(A)+H+e

(R3)

e+OH(X)→OH(A)+e

(R4)

e+H2O+→OH(A)+H

(R5)

e+H3O+→OH(A)+2H(or H2)

(R6)

Arm+OH→OH(A)+H

(R7)

Ar++H2O→OH(A)+ArH+

(R8)

在大多數情況下，OH(A)不是由電子碰撞基態OH(X)激發產生(R4)，而是由電子與H2O+，H3O+復合生成(R5，R6)以及其他能量轉移過程(R7，R8)[12]。因此，OH(A)的振轉分布往往處于非熱平衡態。

圖4 不同時刻下的氬氣納秒脈沖放電中實驗與理論計算的連續譜(a)： 5 ns； (b)： 10 ns； (c)： 15 ns； (d)： 20 nsFig.4 The experimental and theoretical calculated continuum spectraof nanosecond argon discharges at different times(a)： 5 ns； (b)： 10 ns； (c)： 15 ns； (d)： 20 ns