高重復頻率納秒脈沖放電特性

邵 濤，李帥康，黃邦斗，章 程

(1.中國科學院電工研究所，等離子體科學和能源轉化北京市國際科技合作基地，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

非平衡態等離子體中電子溫度和離子溫度相差較大，能夠促進一些常規條件下苛刻的化學反應進行[1-2]。其電子能量較高，氣體溫度偏低，故不易對生物組織造成不利影響[3-4]故非平衡態等離子體在生物醫療[5-6]、表面改性[7]、能源轉化[8]、環境治理[9]、流動控制[10]、點火助燃[11]等諸多領域應用廣泛，并展現出良好的應用前景。

等離子體產生方式較為多樣化，包括火花放電[12-13]、介質阻擋放電[14-15]等。火花放電注入到等離子體中的能量較高，產生的電子數量較多。大氣壓介質阻擋放電更為彌散，相對更均勻，但放電功率相對較低。常見的驅動放電的高壓電源包括直流高壓電源、交流高壓電源、高壓脈沖電源[16]等。直流放電不能驅動介質阻擋放電，交流高壓放電氣體溫度偏高。脈沖放電對負載要求較小，不存在負載匹配問題。

納秒脈沖放電由于上升時間較短，放電通常在超過10倍過電壓下的情況產生。但由于脈沖上升時間和半高寬極短，僅為納秒級，放電發展的時間極其有限，電子碰撞過程持續的時間相對較短，放電通道難以熱化，故碰撞出的電子總數較少，即電子密度較低。電子密度較低，平均約化場強較高，因而電子能量較高，易于產生高能逃逸電子，可產生快速電離波。同時，由于脈寬較窄，放電通道加熱時間在納秒級。放電通道熱化時間很短，難以發展成為平衡態等離子體。故納秒脈沖放電的氣體溫度偏低，放電更為彌散，適用范圍更為廣泛。但受限于脈寬較窄，單脈沖能量有限，如果脈沖重復頻率過低，產生的活性粒子數量有限。為解決這一困境，提高脈沖重復頻率勢在必行。國內外研究人員也據此研制了許多脈沖電源。

納秒脈沖電源是產生納秒脈沖放電的基礎。性能優異的納秒脈沖電源是當前的研究熱點之一。納秒脈沖電源的重要參數包括輸出電壓幅值、上升時間、脈沖半高寬、脈沖重復頻率等。其中脈沖重復頻率和上升時間較為關鍵，在極大程度上影響著產生的非平衡等離子體的狀態參數。近年來，許多研究人員的研究成果提升了脈沖電源的各種參數性能。基于漂移階躍恢復二極管技術，以色列研究人員Merensky制作了上升時間短于1 ns，脈沖重復頻率高達1 MHz的重頻納秒脈沖電源，但其電壓幅值僅有2.2 kV[17]。金屬氧化物場效應晶體管通斷速度較快，耐壓較高，可產生重復頻率較高的脈沖。重慶大學姚陳果等人據此研制了脈沖重復頻率可達10 MHz的脈沖電源，但其電壓幅值不到500 V[18]。韓國研究人員Kim等人據此研制了電壓幅值可達1.8 kV脈沖電源，其重復頻率可達1 MHz[19]。中科院電工所李帥康等人報道了輸出電壓幅值可達25 kV，連續運行重復頻率可達600 Hz的重頻納秒脈沖電源[16]。磁壓縮技術可產生電壓幅值較高的電壓脈沖。南京理工大學李凱等人基于磁壓縮技術研制了輸出電壓幅值可達70 kV的納秒脈沖電源，但受限于磁芯發熱，其重復頻率較低[20]。

脈沖重復頻率較高時，注入放電能量隨之增加。產生的等離子體能量較高。但重復頻率較高時，放電通道出現了熱化加重的現象。為產生較大規模的低溫等離子體，需了解其放電通道熱化現象出現的原因。故開展高重頻納秒脈沖放電特性的研究具有重要的意義。本文使用重復頻率高壓脈沖驅動大氣壓火花放電，并研究其放電參數變化，分析放電狀態。使用光譜儀測量放電時的光譜，并計算放電時電子溫度隨脈沖重復頻率的影響。

1 實驗裝置

實驗裝置圖如圖1所示，使用自行研制的高重復頻率納秒脈沖電源驅動大氣壓火花放電[21]。電壓幅值為5 kV，脈沖上升時間為12 ns，空載情況下重復頻率1～100 kHz連續可調，火花放電時脈沖重復頻率在1 Hz～30 kHz連續可調。脈沖重復性較好，不同脈沖的各參數抖動較小，對實驗結果影響較小。放電時保持上升時間和脈寬不變，只改變脈沖重復頻率觀察重頻脈沖放電時的等離子體參數變化。

圖1 實驗裝置示意圖

使用針-針電極放電，電極間隙為1 mm，電極直徑為2 mm。由于放電在納秒級的時間尺度內完成，故需使用高采樣率的示波器進行擊穿電壓和擊穿時延的觀測。使用高壓探頭(PINTECH P6028A)和示波器(LeCroy Wave Runner/WR204Xi 2 GHz)配合觀測放電電壓波形，使用羅氏線圈(Pearson 4100)和示波器配合觀測放電電流參數變化情況。使用光譜儀(復享光學PG2000-PRO-3)測量氬氣氣氛中的發射光譜，并使用玻爾茲曼圖法擬合電子溫度，探究電子溫度隨脈沖重復頻率的變化。

2 實驗結果與討論

首先使用針針電極進行放電?；鸹ǚ烹妶D像如圖2所示，可以看出發光較強，放電較為劇烈。圖3為頻率為1 kHz時單個脈沖放電電壓及電流波形，明顯可以看出電壓達到3.79 kV之后發生擊穿，體現為電壓迅速下降到較小值，同時電流急劇增加。改變放電頻率，觀測了擊穿電壓和擊穿時延隨脈沖重復頻率的變化情況，進而分析重頻脈沖放電和單個脈沖放電的區別和聯系。然后，使用光譜儀觀察不同頻率放電時的發射光譜，使用玻爾茲曼圖法診斷等離子體電子溫度隨頻率的變化情況。

圖2 納秒脈沖火花放電圖像

t/ns

2.1 擊穿電壓與擊穿時延

觀察針-針放電時擊穿電壓和擊穿時延隨頻率的變化情況。放電間隙為1 mm。放電電極為鎢電極。前人也有對重頻放電時的擊穿電壓和擊穿時延開展研究，但受限于電源重頻性能，研究范圍大多集中在5 kHz以下的范圍內。實驗觀察了更寬頻率范圍內擊穿參數。

圖4給出了不同頻率下擊穿參數的變化。結果顯示擊穿電壓和擊穿時延隨頻率的增加而不斷下降。相比于重復頻率低于1 kHz的結果，發現在更高頻范圍內變化趨勢沒有發生變化，僅是擊穿電壓和擊穿時延下降在15 kHz時出現飽和。

頻率/kHz

由于負載為1 mm針針放電間隙，其體積較小，電容較小，可近似看作阻性。使用電壓乘以電流作為瞬時功率的波形，再對其進行積分得出單脈沖能量。單脈沖能量隨頻率變化的情況如圖5所示。其展現出相對復雜的趨勢，隨頻率的增加，單脈沖能量先增加，再減小，最后繼續增加。頻率不同時，記憶效應通過影響放電發展改變脈沖注入能量。

頻率/kHz

2.2 電子溫度

納秒脈沖放電由于脈寬較窄，放電通道加熱時間也相應較短。電場能量主要用于電子加速，離子由于質量較大，加速較為緩慢。故電子溫度和離子溫度相差較大，等離子體狀態為非平衡態。為進一步驗證納秒脈沖放電產生的等離子體為非平衡態等離子體，觀測了納秒脈沖放電時產生的光譜。使用玻爾茲曼圖法擬合電子溫度。根據文獻中的結果，電子從能級i躍遷到能級j時，滿足下式[22-23]。

(1)

λ/nm

根據式(1)擬合出玻爾茲曼圖，擬合結果如圖7所示，可見數據點比較分散，相距較遠，故擬合結果比較可信。然后根據直線斜率計算出不同頻率放電時的電子溫度，如圖8所示。當脈沖重復頻率小于5 kHz時，電子溫度為～2.5 eV，而10 kHz以上時，電子溫度降低至～0.8 eV。由于火花放電典型氣體溫度在700～3000 K之間[24]，故此時電子溫度(8 000～30 000 K)遠高于氣體溫度，此時放電仍為典型的非平衡態等離子體。電子能量和溫度正相關，電子溫度較高表明電子能量較高。

-(Ei-Ej)/k

λ/nm

2.3 結果與討論

高重復頻率下脈沖放電中擊穿電壓和擊穿時延下降與記憶效應有關[1]。先前脈沖放電產生的電荷具有一定的壽命，殘余在電極間隙中。殘余電荷提供了電子崩發生的初始電荷，使放電更容易發生，降低了間隙的絕緣強度，表現為擊穿電壓和擊穿時延下降。放電產生的帶電粒子中，電子速度較快，壽命極短，對后續放電產生的影響較小，正離子壽命較長，對后續脈沖電場起到一定的畸變作用。

記憶效應對脈沖注入放電的能量具有較為復雜的影響。當頻率較低時(<5 kHz)，記憶效應粒子殘余較少，記憶效應比較弱，放電難以發生。記憶效應隨著頻率的增加而不斷加強，間隙絕緣強度變弱，放電越來越容易發生，擊穿時間越來越早。在相同寬度的脈沖情況下，放電發生的越早，放電持續的時間就越長，故而放電持續時間變長，單脈沖注入放電的能量增加。當頻率在5～15 kHz之間，記憶效應較為顯著，擊穿電壓大幅下降。擊穿電壓較小時，放電電流峰值也較小，導致放電功率下降。進而單脈沖能量變小。表現為記憶效應不利于能量注入。當頻率大于15 kHz時，擊穿電壓下降趨勢出現飽和現象，故單脈沖能量表現為緩慢增加。

根據玻爾茲曼圖法擬合電子溫度，發現電子溫度整體較高，明顯高于常規火花放電的氣體溫度[24]。據此可知重頻納秒脈沖放電產生的等離子體為非平衡態等離子體。由于放電發生時刻提前，放電持續時間增加，放電電流增加，即放電間隙總的電子數量增加，平均到每個電子上的能量變小。放電頻率變高時，殘余到下一次脈沖的電子數量增加，則在下一次放電初期有更多的電子崩同時發展，相當于同樣的能量分散到更多的電子上，單個電子分得的能量變小。10 kHz左右時，等離子體電子溫度急劇下降，對比發現單脈沖注入能量也出現下降現象。這是由于在該頻率范圍內殘余電荷導致擊穿電壓下降，不利于脈沖能量的注入。

3 結論

本文研究了高重復頻率納秒脈沖放電特性和電子密度與電子溫度等等離子體參數，脈沖重復頻率范圍為1 kHz～30 kHz，得到主要結論如下：

(1)放電擊穿電壓和擊穿時延隨脈沖重復頻率的增加而不斷下降，但當重復頻率大于15 kHz，降幅趨緩。單脈沖能量隨著脈沖重復頻率增加先減小，后增加，但單位時間內脈沖注入能量增加。

(2)電子激發溫度在0.8～5 eV范圍內，為典型的非平衡態放電。當脈沖重復頻率增加到10 kHz以上，電子溫度下降，這是因為高重復頻率下殘余電荷降低擊穿電壓，不利于脈沖能量的注入。