Ar 等離子體射流助燃空氣/Ar 介質阻擋放電光譜特性研究

鄧國禮，洪義（通訊作者），劉逸飛

（大連民族大學物理與材料工程學院，遼寧大連，116600）

介質阻擋放電的特點在于通過把絕緣介質（石英、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等）插入到幾毫米到幾厘米的放電空間[1-3]，使載流子積累在介質表面，形成與外加電場方向相反的的內建電場，進而減小放電空間內的總電場，有效地抑制放電電流的自由增長，從而避免放電過渡到弧光放電或火花放電，并且放電空間內的電子能量高，放電穩定和均勻[4]。通過研究發現，OH、O 等許多活性粒子主要是在介質阻擋放電的絲狀微放電通道中產生[5]，并且對空氣凈化、殺菌、材料表面改性、薄膜沉積、水中有機污染物去除等方面起到重要的作用[6-8]，因此過去幾十年里介質阻擋放電受到人們廣泛關注。

總所周知，在Ar 等離子體中參入少量的空氣有助于產生更多的活性粒子，但是隨著空氣含量的增加放電極其不穩定，很容易熄滅。這是因為氧氣作為電負性氣體，放電過程中通過迅速捕捉電子產生氧負離子[9]，所以需要相對較高的工作電壓才能產生和維持空氣/Ar 介質阻擋放電。為了解決這個問題，本文提出了氬氣等離子體射流助燃空氣/Ar 介質阻擋放電裝置。該裝置的特點在于通過預先形成Ar 等離子體射流，為高壓電極周圍空氣/Ar 介質阻擋放電提供種子電荷，使放電擊穿電壓得到明顯減小，進而減小了裝置的能耗，并對其進行了電學特性和光譜特性診斷。

1 實驗裝置

圖1 給出了Ar 等離子體射流助燃空氣/Ar 介質阻擋放電的實驗裝置。從圖1 中可以看出該實驗裝采用了針-板式電極結構，高壓電極為一根外徑10 mm、內徑2 mm、長200 mm的不銹鋼空心鋼管，低壓電極為直徑30 mm、厚0.3 mm的銅箔。在低壓電極的上方放置了直徑40 mm、厚1 mm的石英玻璃板，作為阻擋放電的絕緣介質。高壓電極的下端作為放電端距離石英玻璃板2.5 mm。

圖1 實驗裝置結構圖

Ar 氣體（純度為99.999%）作為工作氣體，從高壓電極的上端進入，并利用質量流量計控制其流量為1 L/min。電源采用高頻交流電源，峰值電壓范圍為0～30 kV，頻率范圍為0～20kHz，本次實驗固定其頻率為8 kHz。放電過程中的電壓-電流波形利用高電壓探頭（Textronix P6015A）和羅氏電流線圈（Pearson 4100）測量得到，并利用示波器（Tektronix MDO3012）記錄其波形。300-850 nm 波長范圍內的特征發射光譜利用光譜儀（Acton Research Spectrapro-2500i）測量得到，并設置光柵為300 槽mm-1，狹縫寬度為20 μm。光譜儀的光纖探頭放置在距石英板上方1mm、高壓電極側面20mm 處。

圖2 給出了峰值電壓為9 kV 時，利用數碼相機（EOS 5D Mark III）拍照得到的放電照片。從該圖中可以看出，高壓電極下端的中心處形成了柱狀氬氣等離子體射流，而其周圍形成了絲狀介質阻擋放電的空氣/Ar 等離子體，說明Ar等離子體射流可以很好的助燃空氣/Ar 等離子體。之所以能夠產生這種放電現象，是因為大氣壓下氬氣的擊穿電壓比空氣小，進而先擊穿，為空氣/Ar 放電提供了種子電荷，因此比單純的空氣/Ar 放電所需的擊穿電壓小，進而減小了能耗。

圖2 峰值電壓為9 kV 時放電照片

2 結果與討論

■2.1 電學特性診斷

圖3 給出了峰值電壓為9 kV 時測量得到的電-電流波形。從該圖中可以看出，放電電流波形上出現了許多脈沖細絲，說明高壓電極與接地電極之間形成了大量的微放電通道，并且電流脈沖最大值達到了172.49 mA。另外，工作電壓正半周期對應的電流脈沖值明顯大于工作電壓負半周期對應的電流脈沖值，這是因為兩個電極形狀不同導致，即高壓電極曲率半徑遠小于接地電極曲率半徑。

圖3 電壓-電流波形圖

圖4 給出了放電功率隨峰值電壓的變化。放電功率是通過接地電極串聯1 μF的電容，測量李莎茹圖形，并利用公式P=fC mS計算得到，式中P、f、Cm、S分別表示放電功率、電源頻率、接地電容和李莎茹圖形面積。從圖4中可以看出，隨著峰值電壓的增大，放電功率幾乎線性地增大，并且峰值電壓為11kV 時，放電功率僅為61.21W。

圖4 放電功率隨峰值電壓的變化

■2.2 光學特性診斷

圖5 給出了峰值電壓為9 kV 時，利用光譜儀測量得到的300-850nm 波長范圍內的發射光譜。從該圖中可以看出，放電等離子體中存在激發態的Ar、OHO (777.4 nm)等活性粒子。

圖5 300-850 nm波長范圍內的發射光譜

圖6 給出了氮分子轉動溫度（TRot）和振動溫度（TVib）隨峰值電壓的變化。氮分子的轉動溫度和振動溫度是通過光譜分析軟件Specair 擬合368-382 nm 波長范圍內的氮分子譜帶并與實驗測量光譜吻合的最好時就可以確定，如圖6(b)的內嵌圖所示。從圖6中可以看出，氮分子轉動溫度和振動溫度隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大，并且它的變化趨勢與放電功率隨峰值電壓的變化趨勢完全一致，說明隨著峰值電壓的增大，電子通過加速運動從外電場獲得更多的能量，并與氮分子碰撞把更多的能量轉移到了氮分子的轉動和振動能級上，從而使溫度提高。另外，氮分子的振動溫度遠大于轉動溫度，說明此時放電等離子體處于非熱平衡狀態。當峰值電壓從8 kV 增大到11 kV 時，轉動溫度從335 K 增大到了393 K，而振動溫度從2497 K 增大到了2672 K。

圖6 氮分子轉動溫度和振動溫度隨峰值電壓的變化

圖7 給出了電子激發溫度隨峰值電壓的變化。電子激發溫度是通過選擇706.72、714.70、727.29、738.40、750.39、751.47、772.38、794.82、800.62、826.46 nm等10 條中性激發態的Ar 譜線，利用玻爾茲曼斜率法計算得到，如圖7的內嵌圖所示。從圖7 中可以看出，隨著峰值電壓的增大，電子激發溫度幾乎線性地增大，這是因為隨著峰值電壓的增大，高壓電極與接地電極間的電場強度增大，電子通過電場加速可以獲得更多的能量，所以電子激發溫度增大。當峰值電壓從8 kV 增大到11 kV 時，電子激發溫度從4129 K 增大到了4465 K。

圖7 電子激發溫度隨峰值電壓的變化

3 結論

利用預先產生的Ar 等離子體射流在在高壓電極周圍產生了空氣/Ar 介質阻擋放電等離子體，并對其進行了電學特性和光譜特性診斷。實驗結果表明，放電電流中出現了大量的絲狀電流脈沖，并且最大放電功率為61.21 W。另外，放電等離子體中存在Ar*、OH*、N2*、N2+、O*等多種活性粒子，并且放電功率、N2轉動溫度和振動溫度、電子激發溫度隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大。