大氣壓氬氣/空氣針-環式介質阻擋放電發射光譜診斷

李政楷， 陳 雷*， 王美琪， 宋 鵬， 楊 昆， 曾 文

1. 沈陽航空航天大學航空發動機學院， 遼寧 沈陽 110136 2. 大連理工大學能源與動力學院， 遼寧 大連 116024 3. 大連民族大學機電工程學院， 遼寧 大連 116600

引 言

通過介質阻擋放電在大氣壓下產生等離子體射流具有發生裝置簡單、 放電過程易控制以及操作安全等諸多優勢， 其在材料表面處理[1]、 生物醫學[2]、 點火助燃[3]等領域均具有極高的應用價值。 為提高大氣壓DBD放電等離子體射流在不同應用領域的應用效率， 有必要對其放電動力學過程進行深入的探討。 一般針對大氣壓等離子體的診斷方法有探針法[4]、 發射光譜法[5]以及質譜法[6]。 其中發射光譜法作為一種可對等離子體射流進行高精度在線原位測量的診斷技術， 科研人員利用其對等離子體射流進行了大量的診斷研究。 張維[7]等利用Ar Ⅰ原子發射光譜探究了大氣壓氬氣等離子射流電子激發溫度、 電子密度隨不同峰值電壓的變化規律； 李亞茹[8]等通過發射光譜法對大氣壓氬氣等離子體羽轉、 振動溫度進行了研究， 結果發現大氣壓氬氣等離子體羽的轉動溫度在520～700 K之間， 振動溫度在3 000 K左右。

在眾多等離子體參數中， 電子激發溫度及等離子體振動溫度在等離子體射流中的電子輸運過程及化學反應過程中發揮著重要作用。 本文通過針-環式介質阻擋放電裝置在大氣壓條件下對氬氣/空氣混合氣放電并產生了穩定的等離子體射流。 通過發射光譜法對氬氣/空氣等離子體射流電子激發溫度、 振動溫度及活性粒子種類進行了診斷。

1 實驗部分

試驗裝置圖如圖1所示， 針-環式介質阻擋放電裝置由中心電極、 石英介質層以及環狀紫銅電極組成。 中心電極為直徑4 mm的針狀紫銅電極， 其與等離子體電源的高壓接線端相連。 石英介質層直徑為12 mm， 厚度為2 mm。 在中心電極與石英介質層之間為3 mm的放電間隙。 環狀紫銅電極的寬度為5 mm, 其作為接地電極與等離子體電源的接地端相連。 試驗中采用CTP-2000K微秒脈沖等離子體電源為針-環式DBD放電裝置供電。 峰值電壓及放電頻率的大小顯示并被記錄保存在Tronix-TDS1002數字型示波器上。 空氣及氬氣的純度均為99.99%， 由氣瓶分別供應。 等離子體射流的發射光譜信息由海洋光學MX2500+7七通道光纖式光譜儀采集， 其光纖探頭固定在離射流徑向10 mm的位置。 采集到的光譜信息由數據線傳輸并保存在計算機中。

圖1 試驗裝置示意圖

發射光譜信息在等離子體射流電子激發溫度的計算中發揮著重要的作用[9]。 玻爾茲曼斜率法利用最小二乘線性擬合對試驗數據進行擬合計算具有較高的模型精度， 是目前使用較為廣泛的電子激發溫度診斷方法。 在LTE條件下， 電子激發溫度與譜線參數之間的關系可表達為

(1)

式(1)中，I為相對光譜強度、λ為譜線波長、g為統計權重、A為原子躍遷概率、Ek為上能級能量、k為玻爾茲曼常數、 ln(hcN/4πZ)是常數項。 可以看出ln(Iλ/gA)與Ek之間表現出線性函數關系， 通過擬合線的斜率即可計算出電子激發溫度。

N2的第二正帶系是計算等離子體振動溫度的主要工具[10-11]。 對雙原子分子帶系而言， 其振動溫度與發射光譜參數之間的關系可表達為

(2)

(3)

式(3)中，ωe，ωexe和ωeye是與雙原子分子對應的常數， 由于從第三項開始即為高階小項， 因此計算時只考慮前兩項即可。 此時， 只要做出以ln(Iν′ν″λν′ν″/Aν′ν″)為縱坐標，Eν′為橫坐標的擬合線， 該擬合線的負斜率即為振動溫度的倒數。

2 結果與討論

2.1 特征譜線分析

圖2 大氣壓氬氣/空氣等離子體射流發射光譜

2.2 電子激發溫度分析

通過Boltzmann法對電子激發溫度進行測算， 為保證電子激發溫度的計算精度， 選取最大、 最小能級的譜線激發能分別為13.15和13.47 eV。 中間能級的譜線激發能分別為13.17， 13.30和13.32 eV共五條譜線。 電子激發溫度的擬合直線如圖3所示， 可以看到， 試驗數據點均勻的分布在最小二乘擬合線的兩邊， 擬合精度較高。

圖3 電子激發溫度玻爾茲曼擬合線

大氣壓下固定放電頻率10 kHz， 峰值電壓由12 kV增大到17 kV(間隔為1 kV)共6個檔次， 通過電子激發溫度玻爾茲曼擬合線計算得到不同峰值電壓下的電子激發溫度變化曲線如圖4所示。 可以清晰的看出， 隨峰值電壓的增大電子激發溫度呈現先增大后減小的變化趨勢。 在介質阻擋放電過程中， 非彈性碰撞是使基態原子躍遷到激發態的主要原因， 電子激發溫度的高低與電子平均能量的變化息息相關。 當峰值電壓在12～15 kV這一區間內時， 電子激發溫度呈上升的變化趨勢， 這是因為隨峰值電壓的升高， 微放電通道內的電場強度隨之增大， 自由電子在電場的作用下被加速到更高的速度。 自由電子從外電場中獲得了更多的能量， 因此在這一區間電子激發溫度會表現出上升的趨勢。 當峰值電壓在15～17 kV之間時， 電子激發溫度隨峰值電壓的增大呈現出降低的趨勢。 這是因為此時在電場作用下石英介質層上積累過多的電子， 在等離子體放電區內將形成內部反向電場進而削弱外部場強， 最終將導致電子平均能量損耗， 電子激發溫度降低。 綜上可以看出電子激發溫度并不是總隨外加峰值電壓的增大而增大的。

圖4 不同峰值電壓下電子激發溫度

2.3 等離子體振動溫度分析

分子的振動激發過程伴隨著能量的吸收， 其有助于等離子體射流中化學反應的發生。 在300～430 nm之間選取N2第二正帶系的5個順序帶譜共計9條譜線對大氣壓氬氣/空氣等離子體射流振動溫度進行擬合， 以試驗數據點為基礎的最小二乘玻爾茲曼擬合線如圖5所示。

圖5 等離子體振動溫度玻爾茲曼擬合線

圖6為不同峰值電壓下的等離子體射流振動溫度， 可以直觀的看到等離體射流振動溫度隨峰值的增大表現出降低的趨勢。 氮分子的w激發主要是由自由電子與基態氮分子之間的非彈性碰撞導致的， 因此等離子體振動溫度也受到電子平均能量的影響。 隨峰值電壓的增大， 等離子體放電區的電壓亦隨之增大， 自由電子平均動能隨之上升。 當電子動能較大時自由電子與氮分子之間的相互作用時間將會縮短， 進而二者之間的碰撞能量轉移截面將會減小， 因此大氣壓氬氣/空氣等離子體射流會出現振動溫度隨峰值電壓增大反而降低變化趨勢。

圖6 不同峰值電壓下等離子體振動溫度

3 結 論

利用針-環式等離子體放電裝置對氬氣/空氣混合氣進行了電離并產生了穩定的等離子體射流， 通過發射光譜法對其活性粒子種類、 電子激發溫度、 振動溫度等參數進行了測量， 結果如下：

(1)氬氣/空氣內的主要活性粒子為N2的第二正帶系、 Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子。 電子激發溫度在7 000～11 000 K之間。

(2)其電子激發溫度并不是隨著峰值電壓的增加而單調變化的， 而是呈現出了先增大后減小的變化趨勢；

(3)等離子體振動溫度隨峰值電壓增大而減小， 其變化范圍在3 200～4 500 K之間。