大氣壓空氣彌散等離子體產生及發射光譜分析

張大偉，徐萌

（沈陽理工大學自動化與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110159）

近年來，低溫等離子體因其獨特的高效、環保、低能耗等技術優勢，被廣泛應用于新材料、新能源、環保和生物醫學等領域。但是能量比較集中的絲狀等離子體難以用于均勻化的生產領域，探究如何產生不含放電細絲的彌散等離子體引起眾多學者關注。

其中， 李靜使用針- 環電極介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD) 系統，將氬氣作為工作氣體，使用8.9kHz 的交流電源，在大氣壓環境中產生了均勻彌散的等離子體射流；Yang 等人將納秒脈沖電源作為激勵源，采用針- 板電極結構進行放電實驗，在空氣環境中實現了陣列形式的彌散等離子體，能夠更好的適用于大面積材料處理。Shao 等人使用重復納秒脈沖電源在無介質層的棒- 板電極結構下，選取不同的放電間隙進行彌散放電發展形式的研究，發現隨著間隙的縮小，放電逐漸從間隙4.5cm 時的電暈放電向間隙3.5cm 的彌散放電發展，最終在2.5cm 處形成了電弧與彌散等離子體共存的放電狀態。但是使用惰性氣體存在復雜的氣路裝置，同時納秒脈沖電源價格昂貴，不能滿足廣大研究者的研究需求，因此高頻化、小型化的交流電源用于驅動空氣產生彌散等離子體展現出廣闊的應用前景。其中，李冠一等人使用8kHz 的交流電源在峰峰值36kV 的電壓下，使用壁厚1mm 的石英玻璃管和ITO玻璃作為阻擋介質，分別在玻璃管口內徑2、4、8mm 的情況下實現了大氣壓空氣中的彌散等離子體，并且增加電壓至40kV，得到了無氣流作用的空氣單針射流。但目前仍未見有關30kHz 以上的高頻電源驅動空氣產生彌散等離子體的報道，且對于空氣等離子體光譜的報道也不常見。

基于此，本文在大氣壓空氣中建立高頻電源驅動的針-板電極DBD 平臺進行實驗，觀察放電空間中的等離子體產生情況，進一步分析空氣等離子體發射光譜，對空氣等離子體的實際應用具有一定的參考價值。

1 空氣放電實驗平臺的建立

本文在大氣壓空氣環境中進行放電實驗研究，建立了針- 板電極DBD 實驗平臺。實驗平臺裝置如圖1所示，主要包括電源裝置、等離子體發生器裝置、測量裝置等。

圖1 實驗平臺裝置圖

供電采用實驗室自制正弦交流高壓電源，輸出電壓峰峰值在0～25kV 之間連續可調，電源工作頻率為35kHz。等離子體發生器采用間距可調的針-板電極DBD 裝置，由銅針、銅板、石英玻璃管和陶瓷片組成，針電極直徑1mm，一端被打磨；板電極直徑38mm，厚度2.4mm；石英玻璃管外徑10mm，厚度1.5mm；陶瓷片的尺寸為100*50*1.5mm；針電極被固定在石英玻璃管中心位置，距離石英玻璃管口4mm，陶瓷片覆蓋在銅板電極上。電源輸出電壓使用采樣比例為1000:1 的Tektronix P6015A高壓探頭測量；電流使用采樣比例10:1 的Tektronix TPP0100 探頭測量，探頭采集信號輸入Tektronix DPO 2002B 數字示波器進行顯示。電流信號是測量串接在電路中的無感采樣電阻兩端電壓得到的。等離子體發射光譜使用Avantes 光譜儀采集，并用計算機記錄、分析。

2 空氣彌散等離子體產生實驗

2.1 實驗現象

當施加電壓峰值超過6.7kV 時，針尖附近出現發光強度較低的淡紫色光暈，如圖2 中（a）所示，增加電壓放電依舊保持電暈狀態，但電暈發光層有所增加。當電壓達到9.3kV 時，針尖和玻璃管之間出現通道形式的等離子體，陶瓷片上出現一個半徑約6mm 的淡紫色光斑，如圖2 中（b）所示。繼續增大電壓至11kV 時，放電產生的等離子體在整個放電空間的亮度更高，在陶瓷片上形成了半徑約8mm 的光斑，如圖2 中（c）所示。

圖2 間距10mm 時放電發展過程

2.2 電學特性

在產生彌散等離子體后，保存此時的外施電壓和回路電流波形，并選取部分周期進行展示，結果如圖3 所示。

圖3 外加電壓與回路電流波形

由圖3 可知，電流只在每個正半周期固定出現1 次，電流幅值為mA 級別，電流峰值出現在電壓峰值前，負半周無明顯電流脈沖出現。這是因為采用的針-板電極結構極不對稱造成的，與Sun 和郝等人的實驗現象一致。

圖4是將圖3 中電流脈沖展開后的結果，電流脈沖的寬度為300ns。

圖4 電流脈沖展開圖

3 空氣光譜粒子種類分析

為減少環境光線對光譜測量帶來的誤差影響，在黑暗環境下進行發射光譜采集，綜合光譜儀有效測量范圍，本實驗采集200～1000nm 范圍內的波長，如圖5 所示。其中，波長280～470nm 之間主要包括氮分子第二正帶系、氮分子離子第一負帶系；波長在750～800nm 之間有1 條O原子譜線，分別如圖6、圖7 所示。

圖5 實驗捕獲光譜圖

圖6 第二正帶和第一負帶光譜圖

圖7 氧原子譜線

將280～470nm 范圍內的主要波長進行標定，如圖6 所示，發現第二正帶系下有6 個輻照度明顯的譜帶，其主帶頭波長分別是297.7nm、315.7nm、337.1nm、357.7nm、380.5nm、405.9nm；第一負帶系有1 條譜線，波長為391.4nm。

經過分析發現，種類最多、輻照度最強的譜線均屬于N2(C3Пu-B3Пg)即氮分子第二正帶系，這是因為空氣中的氮氣含量最大，電子最先與基態氮分子碰撞，從而使獲得能量激發到較高能態的氮分子N2（C3Пu），然后N2（C3Пu）自發躍遷回低能級的氮分子N2（B3Пg）時通過輻射光子hv 釋放能量。其中產生較高能態的氮分子N2（C3Пu）需要大約11eV 的能量，反應過程如下。

除了氮氣的譜帶外，還捕獲到了777.5nm 的O 原子譜線，如圖6 所示。主要通過電子和O2分子發生碰撞產生。

因為空氣中的氮氣含量遠大于氧氣，所以電子與氮氣分子的碰撞更多，表現為氮的譜線輻照度較大；此外，由于產生所需的能量比N2(C3Пu) 大，所以氮分子離子第一負帶系的譜線強度以及數量明顯少于氮分子第二正帶，這與實際測試光譜的結果一致。

4 結語

本文使用針-板電極介質阻擋放電裝置在氣隙10mm的情況下產生了較為均勻的彌散等離子體并進行了空氣等離子體光譜分析，得到如下結論：

（1）彌散等離子體產生主要分為3 個階段，首先是電壓峰值在6.7～9.3kV 之間的電暈放電階段，放電形式穩定且維持在電暈狀態，隨著電壓增加，發光強度有所增加；當電壓達到9.3kV 后，放電發展為通道形式的等離子體；當施加電壓達到11kV 后，放電產生的彌散等離子體充滿放電間隙。

（2）空氣等離子體光譜主要由6 條氮分子第二正帶系N2（C3Пu-B3Пg）譜帶、1 條氮分子離子第一負帶系譜線和1 條O 原子譜線組成。其中和主要是電子與基態氮分子碰撞產生，O 原子通過電子與O2分子碰撞產生。因為空氣中氮氣含量較多且產生N2(C3Пu) 所需能量比產生的低，所以氮分子第二正帶的譜線數量明顯多于其他種類。