宋彩虹武珈存吳凱玥賈鵬英冉俊霞楊麗君

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北 保定 071002)

大氣壓非平衡低溫等離子體在生物醫(yī)學(xué)[1-4]、表面處理[5]、材料生長[6]、增強(qiáng)催化[7]以及元素探測(cè)[8]等方面具有巨大的應(yīng)用潛力.

利用介質(zhì)阻擋放電(DBD)裝置可以在兩電極間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的大氣壓均勻放電[9-11],但這種放電產(chǎn)生的等離子體易受氣隙間距的影響從而很難處理大體積的三維物體.等離子體射流雖然為三維材料的處理帶來了便利,但由于射流產(chǎn)生的等離子體羽通常直徑很小[12],導(dǎo)致其在材料處理應(yīng)用中效率較低.

為了擴(kuò)大等離子體羽的橫向尺度,常用的方法是把多個(gè)等離子體射流組合起來得到等離子體射流陣列[13-18],但等離子體射流之間存在強(qiáng)烈的相互作用,導(dǎo)致部分放電熄滅或使部分等離子體羽發(fā)生偏折[17-18],從而使其均勻性大幅降低.利用窄狹縫氣道代替普通射流圓管,可以產(chǎn)生具有一定橫向尺度的片狀等離子體羽[19-21].例如,在狹縫出口處相對(duì)放置2 個(gè)裸電極,通過鎮(zhèn)流電阻限制電流,產(chǎn)生了片狀氬氣等離子體羽[19-21].由于該放電需要電阻限流,所以會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱,因此造成了能量浪費(fèi).為了避免限流電阻焦耳熱的產(chǎn)生,利用針電極形成DBD,在交流電壓激勵(lì)下產(chǎn)生了片狀氬氣等離子體羽[22].研究發(fā)現(xiàn)針電極DBD 在高電壓下會(huì)產(chǎn)生一些不均勻的絲狀放電,為了改善其均勻性,在電極的上游施加了一個(gè)輔助DBD,構(gòu)成了等離子射流裝置[23].結(jié)果表明在輔助DBD 的幫助下,片狀等離子體羽更長,且均勻性更好.此外,蒲以康等[24]利用矩形氣道的DBD 射流裝置也產(chǎn)生了片狀等離子體羽,但該裝置需要使用昂貴的氦氣.

本工作利用一種四電極結(jié)構(gòu)的DBD 射流裝置,以氬氣為工作氣體,產(chǎn)生了彌散的片狀等離子體羽.利用電學(xué)、光學(xué)和光譜學(xué)手段對(duì)該片狀等離子體羽的放電特性進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意.由厚度為1.0 mm 的石英板構(gòu)成一矩形氣道,氣道的內(nèi)截面積與外截面積分別為3.0 mm×15.0 mm 和5.0 mm×30.0 mm.體積分?jǐn)?shù)為99.999%的氬氣在質(zhì)量流量計(jì)(Sevenstar SC200A)的控制下通入氣道,流速(Q)固定為10 L/min.2個(gè)直徑為1.0 mm 的銅棒相距15 mm,分別固定在氣道的出口左右兩側(cè).銅棒外面包裹著內(nèi)徑為1.0 mm厚度為0.7 mm 的石英管,且兩銅棒均接地.在氣道外壁距離氣道末端25 mm 處粘貼兩平行放置的銅片電極(15 mm×3 mm),其中一個(gè)銅片與交流電源(Suman CTP-2000K)的高壓輸出端相連,另一個(gè)銅片接地.分別利用高壓探頭(Tektronix P6015A),電流探頭(Tektronix TCPA300)測(cè)量電極上的外加電壓和總放電電流.通過2個(gè)光電倍增管(PMT)(ET 9130/100B)分別采集氣道內(nèi)與氣道外的發(fā)光信號(hào).外加電壓,放電電流和光信號(hào)均通過示波器(Tektronix DPO4104)顯示和儲(chǔ)存.使用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 5D)和電荷耦合設(shè)備(ICCD)(Andor DH334T)記錄放電的照片.通過透鏡成像,利用光柵光譜儀(PI Acton 2750,CCD:1340×400像素)對(duì)放電的發(fā)射光譜進(jìn)行采集.

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

2 結(jié)果與討論

圖2給出了曝光時(shí)間為1 s時(shí)不同電壓峰值(Up)下等離子體羽的放電照片.當(dāng)Up達(dá)到約5.7 k V 時(shí),兩銅片電極間氣體擊穿產(chǎn)生放電,此時(shí)放電僅出現(xiàn)在氣道內(nèi)部(氣道上游).當(dāng)Up＞10.0 k V 時(shí),在氣道外部(氣道下游)開始形成片狀等離子體羽.如圖2a所示,在較低的Up下片狀等離子體羽很短,并且發(fā)光很暗.隨著Up的增加,片狀等離子體羽亮度增加并且長度也增長,如圖2b-d所示.同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn),管口位置處等離子體羽的寬度較大,隨著距管口距離的增加,等離子體羽的寬度減小.

圖2 不同U p 下等離子體羽的放電照片F(xiàn)ig.2 Discharge images of the plasma plume under different U p

圖3給出了等離子體羽的長度和譜線強(qiáng)度隨Up和Q的變化.通過圖3可以看出,等離子體羽的長度隨著Up和Q單調(diào)遞增.在Up為17 k V 時(shí),等離子體羽的長度達(dá)到最大值35 mm.與他人工作中利用氬氧混合氣體產(chǎn)生的片狀等離子體羽只有幾個(gè)毫米[20]相比,利用四電極DBD 裝置產(chǎn)生的片狀等離子體羽要長得多.并且,也比他人報(bào)道的片狀氦氣等離子體羽長[24].除了等離子體羽的長度之外,還研究了氬原子譜線(696.5、772.4、763.5 nm)強(qiáng)度隨實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化.可以發(fā)現(xiàn),這些譜線的強(qiáng)度都隨著Up或氣體流速的增加而增大.值得指出的是,當(dāng)Up低于10.0 k V 時(shí),只有內(nèi)電極放電,下游區(qū)域沒有等離子體羽形成,此時(shí)這些來自于2p-1s5(Paschen’s notation)的譜線強(qiáng)度很低,幾乎是可以忽略的.這說明這些2p態(tài)譜線主要是由電子與基態(tài)的氬原子相互作用形成的.再者,由于氣體流速為370 m/s(10 L/min),在氣流的作用下,亞穩(wěn)態(tài)粒子在消失之前僅能夠移動(dòng)大約1.7 mm,持續(xù)時(shí)間約為4.5μs.這意味著大多數(shù)亞穩(wěn)態(tài)粒子在內(nèi)電極產(chǎn)生之后未運(yùn)動(dòng)到氣道出口就已經(jīng)消失了,所以這些2p-1s5的譜線不是由內(nèi)電極產(chǎn)生的,而是下游區(qū)域放電產(chǎn)生的.

圖3 等離子體羽的長度和譜線強(qiáng)度的變化Fig.3 Variations in plasma plume length and spectral intensity

圖4給出了外加電壓、放電電流以及內(nèi)電極放電和等離子體羽光信號(hào)的波形.可以發(fā)現(xiàn),每個(gè)電壓周期對(duì)應(yīng)很多正電流脈沖和負(fù)電流脈沖.正放電出現(xiàn)在負(fù)電壓的下降沿和正電壓的上升沿.負(fù)放電出現(xiàn)在正電壓的下降沿和負(fù)電壓的上升沿.這些下降沿的放電與介質(zhì)表面累積的殘余電荷緊密相關(guān)[25-28].此外還可以發(fā)現(xiàn),等離子體羽的發(fā)光信號(hào)和內(nèi)電極放電的發(fā)光信號(hào)幾乎是同時(shí)出現(xiàn)的,但它們的發(fā)光強(qiáng)度的大小以及開始的時(shí)間都是隨機(jī)的,平均持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)微秒并且2次放電間的時(shí)間間隔較長.對(duì)于以上現(xiàn)象,給出如下解釋:在內(nèi)電極放電期間,在介質(zhì)表面會(huì)累積大量殘余電荷.由于電荷溢流效應(yīng)[29-30],這些殘余電荷將會(huì)引起下游區(qū)域的放電形成等離子體羽.對(duì)于電荷溢流的射流,等離子體羽的形成和內(nèi)電極放電是獨(dú)立的[29],因此其發(fā)射強(qiáng)度是隨機(jī)的.對(duì)于正放電而言,在氣道口累積的電荷是正電性的,所以這些正電荷的溢流將會(huì)在下游放電區(qū)域引起正流光.同樣的,負(fù)放電的過程中將會(huì)累積負(fù)電荷形成負(fù)流光.因此可以推測(cè),圖2中片狀等離子體羽是正流光和負(fù)流光經(jīng)過時(shí)間疊加形成的.

圖4 外加電壓、放電電流以及內(nèi)電極放電和等離子體羽光信號(hào)的波形Fig.4 Waveforms of the applied voltage,the current,and the emissions from the intra-electrode discharge and the plasma plume

圖5給出了不同曝光時(shí)間下單次觸發(fā)ICCD 拍攝得到的等離子體羽的放電照片.由于隨著曝光時(shí)間降低,等離子體羽的亮度也會(huì)降低.因此通過適當(dāng)?shù)母淖僆CCD 的增益來得到清晰的放電照片.如圖5a所示,當(dāng)曝光時(shí)間為1 s時(shí)拍攝得到的等離子體羽的照片與圖2c中的照片是相似的,可以看出在長曝光時(shí)間下放電是均勻的.隨著曝光時(shí)間的減少,放電逐漸變得不均勻.如圖5b所示,當(dāng)曝光時(shí)間為10 ms時(shí),一些微放電絲出現(xiàn)在氣道的出口處,同時(shí)等離子體羽尾部出現(xiàn)棉絮狀的放電.除了不均勻的放電,在距離氣道出口的一定距離范圍內(nèi)可以看到彌散的背景.隨著曝光時(shí)間進(jìn)一步縮短(圖5c-d),等離子體羽看上去更加不均勻.所以得出這樣的結(jié)論,等離子體羽是由不均勻的微放電絲和彌散的背景疊加形成的.

圖5 不同曝光時(shí)間下等離子體羽的放電照片F(xiàn)ig.5 Plume images with different exposure times

圖6為ICCD 單次觸發(fā)拍攝的不同正、負(fù)放電的照片.為了研究非均勻的微放電絲和彌散背景的形成機(jī)制,用同步觸發(fā)的方法拍攝了單次放電的照片.由圖4的波形可知,將曝光時(shí)間設(shè)定為10μs時(shí),剛好只捕捉到1次放電,能很好地對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析研究.由圖6a-d可以發(fā)現(xiàn),正放電是不均勻的,并且在空間隨機(jī)出現(xiàn).由于電荷溢流效應(yīng),正放電開始于氣道出口,在傳播一定的距離之后,正放電開始出現(xiàn)分叉,并且分叉流光的形狀和長度是隨機(jī)的；與正放電相比,負(fù)放電是彌散的.如圖6e-g所示,每次拍攝得到的負(fù)放電的強(qiáng)度也是不同的.即使在曝光時(shí)間縮短到500 ns也沒有出現(xiàn)絲狀放電的現(xiàn)象(圖6h).因此,等離子體羽實(shí)際上是由正放電形成的分叉放電絲和負(fù)放電形成的彌散背景疊加形成的.

圖6 ICCD單次觸發(fā)拍攝的照片F(xiàn)ig.6 Single shot images of the plume

圖7給出了距離氣道出口不同位置處發(fā)光信號(hào)的時(shí)間演化.根據(jù)流光放電機(jī)制可知,由于電荷分離效應(yīng),流光頭前的電場(chǎng)被增強(qiáng).也就是說在流光傳播期間,流光頭前的電場(chǎng)最大.因此二次電子崩主要在這個(gè)區(qū)域發(fā)展,導(dǎo)致最大發(fā)光強(qiáng)度總是出現(xiàn)在流光的前端.所以可以用最大發(fā)光強(qiáng)度的傳播速度表示流光的傳播速度.因此利用2個(gè)PMT,通過2個(gè)PMT 采集到光信號(hào)最大強(qiáng)度的時(shí)間延遲來計(jì)算流光的傳播速度[31].如圖7所示,可以發(fā)現(xiàn),與正放電相比負(fù)放電具有更快的傳播速度.結(jié)合圖4和圖6,可以推測(cè)出正流光(分叉放電絲)的傳播速度低于負(fù)流光(彌散背景).

圖7 距離氣道出口不同位置的發(fā)光信號(hào)時(shí)間演化Fig.7 Temporal evolution of the light emissions at different positions away from the outlet

如之前所提到的,正的內(nèi)電極放電在氣道出口附近的介質(zhì)表面累積的正離子由于電荷溢流效應(yīng)引起正流光放電；負(fù)的內(nèi)電極放電產(chǎn)生的負(fù)電荷由于電荷溢流效應(yīng)形成負(fù)流光.在正流光的傳播過程中,由于電子和正離子遷移速度的差異導(dǎo)致流光頭中為凈正電荷.在其前方,電場(chǎng)被該正電荷層增強(qiáng),因此光致電離產(chǎn)生的種子電子會(huì)在此加強(qiáng)場(chǎng)作用下引發(fā)二次電子雪崩.二次電子雪崩將向流光頭前的正電荷層發(fā)展,在中和正電荷層之后,新的正電荷層將被留在二次電子崩的路徑上,新一代二次電子崩將又朝著這個(gè)方向發(fā)展.這個(gè)過程不斷重復(fù),導(dǎo)致流光傳播.由于正電荷層的空間范圍很小,對(duì)二次電子雪崩有一定的匯聚作用,因此正流光表現(xiàn)為收縮的微放電.此外,由光致電離產(chǎn)生的種子電子可以在流光頭前的不同位置同時(shí)產(chǎn)生.所以在此情況下放電表現(xiàn)為隨機(jī)分叉.與正流光相比,負(fù)流光推動(dòng)著自由電子遠(yuǎn)離流光頭,這些向前遷移的電子引起了二次電子發(fā)射.也就是說,許多小的電子雪崩將會(huì)在負(fù)流光之前同時(shí)產(chǎn)生.這些電子雪崩同時(shí)發(fā)展,彼此相互作用形成了彌散的放電[32],因此負(fù)流光產(chǎn)生彌散背景而正流光容易形成放電絲.也正因如此,如果正放電能夠被抑制,僅留下負(fù)放電將會(huì)是一個(gè)很好的產(chǎn)生彌散等離子體羽的方法.

正如Qin和Pasko[33]提出的,形成正流光的臨界電場(chǎng)要低于形成負(fù)流光的臨界電場(chǎng).因此,與正流光頭前的電子相比而言,負(fù)流光頭前電子將會(huì)在更高的電場(chǎng)下遷移,將導(dǎo)致負(fù)流光頭前的電子遷移速度更快,說明了負(fù)流光的傳播速度要比正流光的傳播速度快.這個(gè)結(jié)果也正好與模擬的結(jié)果相吻合[33].

3 結(jié)論

利用四電極結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電裝置,在大氣壓環(huán)境中產(chǎn)生了一個(gè)片狀氬氣等離子體羽.研究發(fā)現(xiàn),等離子體羽的長度隨著電壓峰值的增加而變長,在此過程中譜線強(qiáng)度也隨電壓峰值的增加而增大.光電信號(hào)測(cè)量顯示,正放電和負(fù)放電過程有多個(gè)放電脈沖.內(nèi)電極放電和等離子體羽的放電幾乎是同時(shí)進(jìn)行的.逐漸降低曝光時(shí)間,發(fā)現(xiàn)放電實(shí)際上是由不均勻的微放電絲和彌散的背景疊加形成的.高速影像研究表明,不同電源極性的放電有著明顯的區(qū)別.正放電是由不均勻的分叉的放電絲形成的,而負(fù)放電卻相當(dāng)均勻.由于內(nèi)電極放電的電荷溢流,等離子體羽的放電機(jī)制為流光機(jī)制,正放電和負(fù)放電分別對(duì)應(yīng)正流光和負(fù)流光.通過PMT對(duì)等離子體的傳播速度進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果顯示正放電的傳播速度為104m/s量級(jí)而負(fù)放電的傳播速度為105m/s量級(jí),均在等離子體子彈的傳播速度范圍內(nèi),并且負(fù)放電的傳播速度大于正放電的傳播速度.