大直徑射流的放電特性及其等離子體參數和活性粒子分布的光譜診斷

趙 娜, 吳凱玥, 陳俊宇, 賈鵬英, 李雪辰*

1. 河北大學物理科學與技術學院，河北 保定 071002 2. 邯鄲學院數理學院，河北 邯鄲 056000

引 言

大氣壓等離子體射流(atmospheric pressure plasma jet, APPJ)產生的等離子體羽中富含多種活性粒子，如OH，O，O3和NO等。這些活性粒子在許多領域具有十分重要的作用，如廢水凈化[1]、 元素探測[2]、 材料處理等。在這些活性粒子中，氧原子是極其重要的，因為它可以產生其他活性粒子(如O3，NO，NO2及OH等)。顯然，等離子體羽中氧原子時空特性是決定處理效率和處理質量的關鍵因素。利用光譜法診斷氧原子濃度具有靈敏度高、 無干擾性等優點。

Lu等利用單電極APPJ，以大氣壓氦氣作為工作氣體，在正弦激勵下產生了長11 cm的均勻等離子體羽[3]。Li等利用氬氣作為工作氣體，通過同軸介質阻擋放電(DBD)引燃的方式，在直流電壓激勵下產生了長5 cm的均勻等離子體羽[4]。Benabbas等利用高壓脈沖電壓激勵DBD射流，產生了長度約為6 cm的均勻氬氣等離子體羽[5]。Qian等提出一種“單針預電離雙高壓”型大氣壓冷等離子體射流源，指出上游電暈放電預電離有助于在下游形成均勻等離子體羽[6]。上游等離子體羽不僅對下游等離子體羽的均勻性有影響，且會影響下游等離子體羽的流光動力學行為[7]。以上提及的等離子體羽雖然具有一定長度，但其直徑很小(只有毫米量級)。這樣細的等離子體羽會限制APPJ的工作效率，為了提高其工作效率及優化處理效果，需要具有更大直徑的等離子體羽[8]。Liu等采用介質厚度不均勻的DBD，以氮氣作為工作氣體產生了直徑約為3.5 mm的均勻等離子體羽[9]。由于氮氣的擊穿電場較高，因此利用這種射流很難產生更大直徑的等離子體羽。與氮氣(或空氣)相比，氬氣具有較低的擊穿電場，因此有望在較低電壓下得到較大直徑的等離子體羽。Wang等在近大氣壓條件下通過懸浮電極產生了直徑約20 mm的均勻等離子體羽[10]，但該射流需要真空設備。Castro等利用喇叭狀噴嘴產生了直徑約為10.5 mm的氬氣等離子體羽[11]，但該等離子體羽中含有大量放電絲，均勻性較差。

以氬氣為工作氣體，利用正弦交流電壓激勵APPJ，在開放的空氣環境中產生了較大直徑(約14 mm)的均勻等離子體羽。對于該大直徑等離子體羽，采用發射光譜法對電子密度(ne)和氧原子濃度隨實驗參數的變化進行了研究。

1 實驗部分

圖1為實驗裝置示意圖。放電裝置包括三個電極。其中，6 mm寬的銅箔做成環狀緊裹在石英管(圖1中Tube 1)的外壁距離管口10 mm的位置。石英管(內徑11 mm，外徑14 mm)長度為12 cm，距其管口20 mm處放置有一個接地的平板電極。它由氧化銦錫(ITO)鍍膜玻璃片構成，其中ITO膜朝向石英管口。在石英管內放置有一個長16 cm(內徑8.8 mm，外徑10 mm)的銅管(圖1中Tube 2)，銅管口距離銅環的上邊緣2 mm。純度為99.999% 的氬氣通過銅管進入放電空間，氬氣流量(Q)由流量計(Sevenstar SC200A)控制。這三個電極中，銅環電極與正弦交流電源(Suman CTP-2000K)的高壓端相連，平板電極接地，而銅管電極對地懸浮。交流電源的頻率(f)固定為70 kHz。用高壓探頭(Tektronix P6015A)測量外加電壓。放電的發光信號通過透鏡聚焦后由光電倍增管(ET 9085SB)采集。利用示波器(Tektronix DPO4054)記錄放電的電壓和光信號波形。放電照片通過數碼相機(Canon EOS 5D)拍攝。放電的發射光譜由光譜儀(PIACTON SP2750)進行采集。

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

2 結果與討論

當固定Q為5 L·min-1，逐漸增加外加電壓峰值(Vp)，放電先在銅環到銅管之間的區域(上游區域)出現。當Vp增加到4.2 kV，除了上游的放電，在銅環電極的下游區域也出現了均勻等離子體羽，如圖2(a)所示。等離子體羽充滿了石英管口和地電極之間的區域，在管口處其直徑約為11 mm，沿X軸方向直徑略有縮減。增加Vp，等離子體羽發光亮度增加，等離子體羽的直徑略有增大，如Vp為7.6 kV時管口處等離子體羽的直徑約為14 mm[圖2(b)]。并且等離子體羽的邊緣變為紫色，這可能是由于環境氛圍的空氣擴散進入氬氣，使得邊緣處的工作氣體為氬氣和空氣的混合氣體。眾所周知N2(C3Πu-B3Πg)的發光為紫色，導致等離子體羽的邊緣是紫色的。當固定Vp，增加氬氣流量時等離子體羽的亮度也增加，如圖2(c)所示。在實驗過程中，裸眼觀察到放電是均勻的，未發現放電絲。放電的均勻性要好于Castro等利用喇叭狀噴嘴產生的大直徑氬氣等離子體羽[11]。圖2(d)和(e)分別給出了對應于圖2(c)的發光亮度沿X方向(Y=1 mm)和沿Y軸方向(等離子體羽軸線)的分布情況[X,Y軸已在圖2(a)中標出]。可以看出，沿X軸方向，發光亮度除了在X=7 mm處亮度較小外，其他位置亮度變化不大。沿Y軸方向，當Y<10 mm時，發光亮度幾乎不變，當Y≥10 mm時，發光亮度逐漸減弱。圖2(a)和(b)中等離子體羽的發光亮度沿X軸和Y軸方向的變化趨勢與圖2(c)的類似。

圖2 不同實驗參數下下游等離子體羽的照片[(a)，(b)，(c)](管1和平板電極均用虛線標出，曝光時間為10 s)和放電亮度沿X軸(d)和Y軸(e)的分布圖

圖3給出了大直徑等離子體射流的外加電壓及上、 下游羽發光信號的波形。如圖3(a)所示，上下游光信號具有準周期性。當Vp較低時，上、 下游等離子體羽在每個電壓周期均有兩個光脈沖信號(Pu1和Pu2及Pd1和Pd2)，這些放電脈沖都出現在電壓的上升沿。通過比較可以發現，上游等離子體羽的光信號強度比下游的大。隨著Vp的增加，放電脈沖出現的時刻提前，上下游等離子體羽的光信號強度都增大。當Vp達到7.6 kV，放電脈沖出現在外加電壓的下降沿，且Pu2和Pd2后又出現了新的放電脈沖(Pu3和Pd3)，如圖3(b)所示。因此，在高的峰值電壓下上、 下游等離子體羽在每個電壓周期都呈現三個放電脈沖。通過圖3還可以發現上游等離子體羽和下游羽的光脈沖在時間和數量上都是對應的。這說明上游和下游的放電具有同步性，我們認為這種同步性可能是由光致電離導致的。

圖3 (a)Vp= 4.2 kV和(b)Vp= 7.6 kV時外加電壓、 上游光信號和下游光信號的波形圖

對于等離子體參數的診斷，發射光譜法具有非接觸條件下的測量能力，可以在測量的同時不干擾等離子體內部狀態，且靈敏度高。因此本工作利用譜線強度比研究上下游等離子體羽的電子密度，采用光化線強度法研究下游等離子體羽中氧原子濃度隨實驗參數的變化規律。

圖4給出了Q=5 L·min-1和Vp=7.6 kV時上、 下游等離子體羽在300～800 nm范圍內的發射光譜。由圖4可以看出，從上游羽和下游羽的發射光譜中均可以觀察到OH(A2Σ+-X2Π)，N2(C3Πu-B3Πg)，ArⅠ(4p-4s)和OI(3p5P-3s5S躍遷)(777.4 nm)譜線。上游羽的發射光譜ArⅠ(4p-4s)強度比下游的大，但OH(A2Σ+-X2Π)和N2(C3Πu-B3Πg)強度比下游的小。這表明上游放電整體上強于下游放電，但在下游羽中由于空氣擴散進入，導致下游羽相對強的OH(A2Σ+-X2Π)和N2(C3Πu-B3Πg)發射。此外，上游和下游等離子體羽中紫外光譜的存在，說明放電會存在光致電離[12]，也就是說上游的放電可以通過光致電離為下游等離子體羽的產生提供種子電子，從而使得上游和下游的放電同步。

利用發射光譜中兩條Ar譜線的強度比(I750/I738或I738/I763)可以測量ne[13]。通常等離子體射流的ne在(1011～1014) cm-3量級。在這個范圍內I750/I738隨ne變化更為敏感，所以我們選取I750/I738來研究大直徑等離子體羽的ne，結果如圖5所示(誤差棒表示各個數據點偶然誤差的平均值)?？梢?，上游等離子體羽的ne在1014cm-3量級，高于下游等離子體羽的ne((1013～1014) cm-3量級)，它們均隨Vp的增加而升高。相同Vp下Q越大，ne越高。該大直徑等離子體羽的ne隨Vp的變化規律與文獻[14]氦氣射流中細等離子體羽的結果是類似的。

圖4 Vp=7.6 kV時上游(a)和下游(b)羽的發射光譜

圖5 上下游等離子體羽的電子密度隨Vp及Q的變化關系Fig.5 The electron density of upstream and downstreamplumes varies with Vp and Q

空氣是一種強烈的電負性氣體，放電中空氣中的氧分子及其產物(O，OH和O3等)會吸附電子，從而導致ne降低[15]。由于下游羽暴露在空氣環境中，相比上游，下游的等離子體羽會擴散進入大量的空氣。所以下游電子密度比上游的低。增大氣體流量，會縮短空氣的擴散時間，所以氣體流量越大則工作氣體中的空氣含量會越低。因此，氣體流量越大ne越高。

光化線強度法表明，通過氧原子一條譜線的強度與氬原子的譜線強度之比，可以得出氧原子的相對濃度值[16]。我們利用氧原子777.4 nm譜線(3p5P-3s5S躍遷)與氬原子750.4 nm譜線(2p1-1s2躍遷)的強度比反映氧原子濃度。圖6(a)給出了Q=5 L·min-1和Vp=7.6 kV時下游等離子體羽中氧原子濃度的空間分布。通過圖6(a)可以看出，氧原子濃度沿著氣流方向是降低的。圖6(b)給出了距離管口1 mm處氧原子濃度隨實驗參數的變化規律?？梢?，氧原子濃度隨Vp升高而增加，隨氣體流量增加而增加。圖6(a)和(b)中誤差棒表示各個數據點偶然誤差的平均值。

圖6 (a)氧原子濃度沿著氣流方向的變化；(b)氧原子濃度隨著實驗參數的變化關系

氧原子的主要產生途徑為： e+O2→O-+O[17]可見氧原子濃度與等離子體的ne及氧分子密度有關。在下游的等離子體羽中，由于空氣的擴散，沿著氣流(Y軸)方向氧分子密度增加。氧分子密度的增加，由于它吸附電子形成負離子，從而導致沿著Y軸方向ne降低。因此，使得氧原子的產生幾率減小，導致氧原子濃度降低。另一方面，氧分子密度增加會使得參與反應的氧分子增多，因此氧原子的產生機會增多，這會導致氧原子濃度升高。對于我們產生的大直徑等離子體羽，可能是第一個方面的作用占主導，所以氧原子濃度主要由第一個方面的作用決定，即氧原子濃度沿Y軸減小[圖6(a)]。ne隨Vp或氣體流量的增加而增加，所以有更多的電子與氧分子碰撞產生氧原子，從而氧原子濃度隨著Vp或氣體流量的增加而增加[圖6(b)]。

3 結 論

采用氬氣作為工作氣體，利用交流電壓激勵大氣壓等離子體射流，產生了直徑約為14 mm的均勻等離子體羽。光電測量結果顯示，當外加電壓峰值或氬氣流量增加時，等離子體羽發光亮度增加。上游放電和下游羽的發光信號具有同步性。從上下游等離子體羽300～800 nm范圍內發射光譜中均可觀察到OH，N2，ArⅠ和OⅠ譜線。利用譜線強度比的方法對電子密度進行了測量。結果表明上游等離子體羽的電子密度在1014cm-3的量級，高于下游等離子體羽的電子密度(1013～1014cm-3量級)。上游放電和下游羽的電子密度呈現出相同的變化趨勢。利用光化線強度比的方法對氧原子的濃度進行測定，結果表明下游等離子體羽的氧原子濃度沿氣流方向減小，且氧原子濃度隨Vp升高或氣體流量的增加而增加。對于以上實驗現象，利用氣體放電的基本理論進行了定性解釋。