錢丹娜，張 燕，孫巖洲

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局電學(xué)發(fā)明審查部，北京 100089；2.河南理工大學(xué) a.機(jī)械與動力工程學(xué)院，b.電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

常壓輝光放電（APGD）由于其眾多優(yōu)異特點(diǎn)而備受關(guān)注，如放電均勻，克服了“細(xì)絲”對工件表面的燒蝕或穿孔；能耗低，不需要真空系統(tǒng)；設(shè)備投資少，更適于對工件在線加工處理，并且可以提供更多的活性粒子（離子、自由基、激發(fā)態(tài)原子和分子）。因此在材料表面處理、化纖改性、殺毒滅菌等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用前景[1-6]。目前穩(wěn)定均勻的APGD主要是在惰性氣體（He、Ne、Ar等）中得到的。在惰性氣體中通常所得到的APGD，在放電電壓的每半個(gè)周期內(nèi)只含有一個(gè)電流脈沖[7]，或者含有兩個(gè)或多個(gè)呈周期性變化的電流脈沖[8-9]，這種多電流脈沖放電的產(chǎn)生機(jī)理已經(jīng)被很多研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論模擬研究[10-13]。劉耀閣等[14]、郝艷捧等[15]對每半個(gè)周期內(nèi)含有多電流脈沖放電的常壓氦氣均勻介質(zhì)阻擋放電的電壓電流特性和Lissajous圖形進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在放電截止階段，電極間總電容保持不變；在放電進(jìn)行階段，介質(zhì)等效電容隨多電流變化而變化，在電流脈沖峰值處最大。劉富成等[16]對大氣壓多電流脈沖介質(zhì)阻擋均勻放電進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用一維等離子體流體模型，增加了電子能量守恒方程，模擬結(jié)果表明大氣壓氦氣多脈沖放電中的每個(gè)電流脈沖都處于湯森放電模式，上一次放電為下一次放電提供種子電子。張燕等[17-19]對大氣壓氦氣多電流脈沖放電研究發(fā)現(xiàn)在一個(gè)多電流脈沖放電序列內(nèi)存在兩種放電模式—輝光放電和湯森放電，且介質(zhì)板上積累電荷引起的記憶電壓，在一個(gè)多電流脈沖放電序列的早期促進(jìn)放電，而在晚期抑制放電。惰性氣體是非反應(yīng)性氣體，在與不含氧的高聚物材料（如丙綸）表面接觸時(shí)不參與表面反應(yīng)，僅是等離子體中的高能粒子轟擊材料表面?zhèn)鬟f能量，使材料表面產(chǎn)生大量自由基，相鄰高分子自由基可能復(fù)合而交聯(lián)，也可能脫氫或脫去其他原子而形成雙鍵，只是處理后與空氣中的氧作用而引入極性基因，因此其改性效果不是很好[20-21]?；诖?，可以在惰性氣體中混入少量的反應(yīng)性氣體如O2、CO2和N2，參與表面反應(yīng)，可以達(dá)到比較好的改性效果[22]。但是這些反應(yīng)氣體的加入，其反應(yīng)機(jī)理以及對原有放電形式的影響國內(nèi)外研究的還比較少。本文主要針對這個(gè)問題開展實(shí)驗(yàn)，在常壓He多電流脈沖放電中分別不斷的混入O2、CO2和N2，對放電等離子體的放電特性和發(fā)射光譜進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，上下電極均為不銹鋼電極（150 mm×300 mm×20 mm），電極表面被鏡面拋光并且四個(gè)邊角被做成曲徑為15 mm的半圓形，因此實(shí)際放電空間為270 mm×120 mm；兩個(gè)電極均被1 mm厚的石英玻璃所覆蓋，電極間隙可以在零到幾個(gè)厘米間調(diào)節(jié)。所使用的中頻交流電源，電壓峰值可以從0～50 kV調(diào)節(jié)，頻率可以從4～15 kHz調(diào)節(jié)。放電電壓由高壓探頭Tektronix P6015A測得，放電電流和電荷分別通過與接地電極串聯(lián)的電阻（50 Ω）和電容（16.4 nF）所獲得。所有的波形均通過示波器（Tektronix TDS5054B Bandwidth 500 MHz）測量，測量數(shù)據(jù)被送到計(jì)算機(jī)中處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

放電區(qū)光線通過石英觀察窗口外放置的焦距為65 mm的凸透鏡聚焦后，由光纖探頭將光信號通過光纖傳輸至MODEL SP-305光柵單色儀（光柵1 200條/mm，閃耀波長350 nm）進(jìn)行分光，單色光輸出經(jīng)光電倍增管（R928）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，光譜電信號脈沖通過設(shè)定記錄電路的積分時(shí)間而得到多脈沖平均輸出，最后由計(jì)算機(jī)采集處理。測量的光譜掃描范圍是300～800 nm。采用的氣體是純度為99.99%的He，本底氣壓為5 Pa。He流量為10 mL/min，N2、O2、CO2通過質(zhì)量流量計(jì)（美國艾博格DFM26）分別根據(jù)需要調(diào)節(jié)其輸出流量，經(jīng)混合后充入等離子體反應(yīng)腔內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輝光放電向絲狀放電的轉(zhuǎn)化

表1給出了混入O2，CO2和N2的流量及與He的體積比。在相同的外加電壓下，當(dāng)N2、O2、CO2的流量分別為120 mL/min、30 mL/min、50 mL/min時(shí)，常壓氦氣輝光放電轉(zhuǎn)化為絲狀放電。以充入氣體為He時(shí)為例，圖2給出了常壓He處于輝光放電（CO2流量為0）和處于絲狀放電（CO2流量為80 mL/min）時(shí)的電流電壓波形從圖2可以看出，在相同的外加電壓下，隨著分別混入O2、CO2和N2含量的增加，在放電電壓的每半個(gè)周期內(nèi)電流脈沖個(gè)數(shù)沒有變化，但是每個(gè)電流脈沖的峰寬不斷變窄，從幾十μs變?yōu)閹装佴蘳，放電形式也由輝光放電模式逐漸轉(zhuǎn)換成絲狀放電模式。

表1 常壓下N2、O2和CO2與He混合時(shí)的流量和體積比Table1 The flow rate and the volume ratio of N2，O2and CO2when they Mix with He under an atmospheric pressure

圖2 輝光放電和絲狀放電時(shí)的外加電壓、放電電壓和放電電流的波形圖Fig.2 The waveform of the applied voltage，the discharge voltage and the discharge current when the discharge is the glow discharge or the filament discharge

圖3給出了在常壓He輝光放電（CO2流量為0）和絲狀放電（CO2流量為80 mL/min）時(shí)，在半個(gè)周期內(nèi)每個(gè)電流脈沖對應(yīng)的放電擊穿電壓和相應(yīng)所需的外加電壓。從圖3可以看出，在相同的外加電壓峰值下，產(chǎn)生絲狀放電時(shí)所需的擊穿電壓要比產(chǎn)生輝光放電時(shí)所需的擊穿電壓高，每個(gè)電流脈沖的形成所需要的外加電壓也要比輝光放電時(shí)的高很多。第一個(gè)電流脈沖需要的擊穿電壓，絲狀放電時(shí)為2 088 V，要比輝光放電時(shí)（1 876 V）高出200 V；需要的外加電壓，絲狀放電時(shí)為1 870 V，要比輝光放電時(shí)（75.8 V）高出了近1 800 V。這主要是由于輝光放電時(shí)在前半個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)板上積累電荷比較多（如圖4所示），當(dāng)外界電壓反向后，在介質(zhì)板上形成的記憶電壓很強(qiáng)，導(dǎo)致第一個(gè)電流脈沖擊穿所需要的外加電壓非常的?。?5.8 V）。隨著O2、CO2和N2的含量的增加，放電逐漸過渡到絲狀放電，介質(zhì)板上的積累電荷變小，在介質(zhì)板上形成的記憶電壓也變小，導(dǎo)致第一個(gè)電流脈沖擊穿所需的外加電壓迅速增大，需要1 870 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輝光放電時(shí)所需的外加電壓。

圖3 輝光放電和絲狀放電時(shí)在半個(gè)周期內(nèi)每個(gè)電流脈沖對應(yīng)的放電擊穿電壓和相應(yīng)所需要的外加電壓圖Fig.3 The breakdown voltage and the applied voltage needed corresponding to every current peak in half a cycle when the discharge is glow discharge or filament discharge

圖4 輝光放電和絲狀放電時(shí)介質(zhì)板上積累電荷變化規(guī)律圖Fig.4 Variation of accumulation charges on dielectric plate with glow discharge and filament discharge

圖5給出了常壓He輝光放電（CO2流量為0）和絲狀放電（CO2流量為80 mL/min）時(shí)的利薩如圖，從圖5可以看出，兩種放電的利薩如圖形均為平行四邊形，其中1～2和3～4為電容過渡過程，是直線；2～3和4～1為放電過渡過程，是波浪線段，每個(gè)波浪分別對應(yīng)于每半個(gè)周期內(nèi)的電流脈沖[18]。從圖5（a）可以看出，4～1和2～3放電過程在一個(gè)多電流脈沖放電序列中，前半段使得上半周期在介質(zhì)板上積累的電荷不斷被中和，后半段使得介質(zhì)上積累反向電荷，為下一個(gè)序列的放電提供記憶電壓，與圖5（b）的過程相同。從圖5還可以看出，隨著CO2流量的增加，3～4直線段不斷的右移。對于輝光放電來說，在一個(gè)多電流脈沖放電序列中，開始放電時(shí)（也就是第一個(gè)電流脈沖產(chǎn)生時(shí)）所需的外加電壓要比絲狀放電時(shí)的低的多，與圖3結(jié)果一致。為了進(jìn)一步分析N2、O2、CO2對常壓He多電流脈沖輝光放電的影響，對放電等離子體區(qū)內(nèi)的發(fā)射光譜進(jìn)行了測量分析。

圖5 輝光放電和絲狀放電時(shí)的利薩如圖Fig.5 Lissujous figures of glow diascharge and filament discharge

2.2 常壓He輝光放電的發(fā)射光譜

圖6是常壓He輝光放電的發(fā)射光譜。本底氣壓為5 Pa，放電室內(nèi)有極少量的空氣存在，在300～500 nm的發(fā)射光譜中主要是由N2的激發(fā)態(tài)，氮分子離子N2+和氧原子離子O+譜線組成。在391.4 nm處的N2+的第一負(fù)系統(tǒng)的光譜強(qiáng)度比337.1 nm處的N2第二正系統(tǒng)的光譜強(qiáng)度強(qiáng)得多，這主要是由于N2和He的亞穩(wěn)態(tài)（He（23S））潘寧電離產(chǎn)生的，如反應(yīng)式（1）[17]：

He的譜線主要出現(xiàn)在650～800 nm波段中，其中706.5 nm的He原子的譜線強(qiáng)度最強(qiáng)，如反應(yīng)式（2）～（4）：

其中He（23S）和 He+2主要是由反應(yīng)式（5）～（7）產(chǎn)生：

對于O+的發(fā)射光譜主要由反應(yīng)式（8）、式（9）兩種方式產(chǎn)生：

電子直接碰撞O2導(dǎo)致氧原子電離的幾率非常小，反應(yīng)系數(shù)僅為4.6×10-16，因此O+的產(chǎn)生也是主要由于O2與亞穩(wěn)態(tài)He（He（23S））原子間潘寧電離產(chǎn)生的。

圖6 常壓氦氣輝光放電的發(fā)射光譜圖Fig.6 The emission spectrum of Helium glow discharge at atmospheric pressure

2.3 N2、O2和CO2對常壓He輝光放電發(fā)射光譜的影響

當(dāng)所有的發(fā)射光譜被337.1 nm的氮分子第一正系統(tǒng)的譜線標(biāo)準(zhǔn)化后，得到了常壓He輝光放電中隨著混入的O2、CO2和N2的增加，706.5 nm氦原子（He）、777.5 nm氧原子（O）和367.7 nm氧離子（O+）以及391.4 nm氮分子離子（N2+）的譜線相對強(qiáng)度的變化如圖7所示。

圖7 在常壓He輝光放電中隨著N2/He、O2/He或CO2/He體積比的增加He、O+、O和N2+的發(fā)射譜線強(qiáng)度的變化規(guī)律曲線Fig.7 The change rule of the emission line intensity of He，O+，O and N2+with the increase of the volume ratio of the N2/He，O2/He or CO2/He at atmospheric pressure He glow discharge

由圖7（a）、（b）可知，在常壓He輝光放電中，隨著混入O2、CO2和N2的增加，He和O+譜線的發(fā)射強(qiáng)度有相同的變化規(guī)律。當(dāng)O2和CO2混入流量為10 mL/min，N2混入流量為20 mL/min時(shí)，He和O+發(fā)射強(qiáng)度急劇減少，之后隨混入O2、CO2和N2流量的增加發(fā)射強(qiáng)度基本不變；混入的氣體為含氧氣體（O2、CO2），O+的發(fā)射強(qiáng)度沒有增強(qiáng)。這說明隨著混入O2、CO2和N2的增加，放電空間內(nèi)的激發(fā)態(tài)He原子和O原子離子的數(shù)量減少，由反應(yīng)式（8）和式（9）可知，當(dāng)O2、CO2和N2被充入 He中，O2、CO2和N2吸收低能電子，使得放電空間內(nèi)的電子密度降低，放電空間內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)He原子的數(shù)量減少，最終導(dǎo)致He和O+譜線的發(fā)射強(qiáng)度減弱。

N2混入時(shí)的發(fā)射光譜中沒有發(fā)現(xiàn)氧原子譜線，隨著O2和CO2流量的增加，氧原子的發(fā)射強(qiáng)度增加，如圖7（c）所示。O2和CO2的流量超過10 mL/min時(shí)，O原子的發(fā)射強(qiáng)度開始減少；當(dāng)CO2的流量超過50 mL/min后，氧原子的發(fā)射強(qiáng)度不再發(fā)生變化。由于混入雜質(zhì)氣體對常壓He的放電模式產(chǎn)生了影響，隨著雜質(zhì)氣體含量的增加，常壓He放電從輝光放電逐漸過渡到絲狀放電，導(dǎo)致放電空間內(nèi)的電離減少，氧原子的發(fā)射強(qiáng)度減少。另外，從圖7（d）可以看出，N2+的發(fā)射強(qiáng)度隨著O2、CO2和N2含量的增加逐漸減少，當(dāng)混入O2流量大于30 mL/min或混入CO2流量大于50 mL/min或混入N2的流量大于120 mL/min后，N2+的發(fā)射強(qiáng)度基本不變，放電由輝光放電過渡到絲狀放電。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究O2、CO2和N2對常壓He多電流脈沖輝光放電的影響，得到結(jié)果如下：

（1）當(dāng)加入O2含量達(dá)到0.3%，CO2含量達(dá)到0.5%或N2含量達(dá)到1.2%時(shí)，放電從輝光放電過渡到絲狀放電。同時(shí)，在放電電壓每半個(gè)周期中電流脈沖的個(gè)數(shù)沒有增加，每個(gè)電流脈沖的峰寬由μs量級變窄至ns量級。

（2）通過分析輝光放電和絲狀放電時(shí)的電流電壓波形和Lissajous圖形可知，產(chǎn)生輝光放電所需的外加電壓要比產(chǎn)生絲狀放電所需的外加電壓低的多。

（3）通過對常壓He多電流脈沖輝光放電的發(fā)射光譜分析可知，隨著加入O2、CO2和N2流量的增加，激發(fā)態(tài)He（33S1→23P1）和氧原子離子O+發(fā)射譜線強(qiáng)度先迅速減少然后基本不再變化，即使所混入的氣體為含氧氣體（O2、CO2），O+的發(fā)射強(qiáng)度也沒有增強(qiáng)。氮分子離子的發(fā)射譜線強(qiáng)度先迅速減小然后緩慢減小，當(dāng)放電由輝光放電過渡到絲狀放電時(shí)，發(fā)射譜線強(qiáng)度基本不再發(fā)生變化。說明放電空間內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)He原子（He（23S））的數(shù)量隨著O2、CO2和N2流量的增加不斷減少，從而導(dǎo)致放電從輝光放電過渡到絲狀放電。