針－環(huán)式大氣壓Ar冷等離子體射流的放電特性

潘 靜，洪 義，王菊霞

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000）

針－環(huán)式大氣壓Ar冷等離子體射流的放電特性

潘 靜，洪 義，王菊霞

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000）

利用針－環(huán)式電極實現(xiàn)了大氣壓Ar冷等離子體射流.通過等效電路計算得到高壓電極與石英玻璃管內(nèi)壁之間氣隙處的傳導(dǎo)電流，計算出了峰值電壓6.2kV時43.8μs時刻的電場絕對值的1維和2維分布.結(jié)果表明：43.8μs時刻接地電極邊緣處電場最大，針尖處不會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，并且針管內(nèi)電場為零.發(fā)射光譜測量發(fā)現(xiàn)激發(fā)態(tài)的Ar，OH，O，N2等存在于等離子體射流中.模擬氮分子第二正帶系C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）的躍遷光譜與實驗測得光譜相比較，得到了針尖下方5mm處的氣體溫度為357K，振動溫度為1 349K，利用玻爾茲曼分布法得到電子激發(fā)溫度為3 221K.

針－環(huán)式電極；等效電路；電場絕對值；氣體溫度；電子激發(fā)溫度

1 引 言

大氣壓冷等離子體射流因其獨有的特點受到了廣泛的關(guān)注，比如：氣體溫度低，容易控制，富含大量的活性粒子，可以廣泛地應(yīng)用于材料表面改性、殺菌、薄膜沉積、生物應(yīng)用等眾多領(lǐng)域［1－9］.大氣壓冷等離子體射流根據(jù)電極結(jié)構(gòu)可分為2種：一種是電極上覆蓋介質(zhì)，通過介質(zhì)阻擋放電來實現(xiàn)；另一種是電極裸露，通過電暈放電來實現(xiàn).比如：Nie等人［10］利用懸浮電極在大氣壓下成功實現(xiàn)了氬氣等離子體射流.當(dāng)電壓從2.7kV增加到5.6kV，等離子體射流經(jīng)歷擊穿、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)以及消失等過程.Li等人［11］利用單個注射針頭在45kHz交流電源激勵下成功實現(xiàn)了大氣壓氬氣等離子射流，觀察到了石英管內(nèi)等離子體隨著電壓增大從電暈、類輝光到絲狀放電的演變過程.Walsh等人［12］把纏繞在石英玻璃管外壁上的長1mm的金屬薄膜作為高壓電極，利用頻率為4kHz的亞微秒脈沖電源成功實現(xiàn)了溫度接近室溫的氬氣等離子體射流.但是，上述的冷等離子體射流都是在介質(zhì)（比如：石英玻璃管）內(nèi)點燃，而不是在空曠的空氣中點燃，這是因為空氣中的氧氣是電負性氣體，很容易捕捉電子使放電熄滅，比如Wang等人［13］發(fā)現(xiàn)O2／He等離子體射流中，當(dāng)氧氣的體積分數(shù)達到3.2%時，射頻電流迅速減小為零.而本文提出的針－環(huán)式大氣壓Ar冷離子體射流直接在空曠的空氣中點燃，從而減少了射流在介質(zhì)內(nèi)傳播時消耗的能量，也縮短了等離子體子彈到達被處理物體所需的時間，這有助于活性粒子更容易與被處理物體接觸.

2 實驗裝置

圖1為實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖.

圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

高壓電極為內(nèi)徑1.2mm、外經(jīng)1.6mm、長51mm的注射針頭，插入到內(nèi)徑2mm、外徑3mm、長38mm的石英玻璃管內(nèi)，它們之間用聚四氟薄膜密封，并且石英玻璃管的底部與針尖平齊.接地電極為寬7mm的銅箔，纏繞在石英玻璃管底部上方12mm處.在距石英玻璃管底部下方5mm處水平放置了厚1mm的石英玻璃板，在其下方2mm處垂直放置了光纖探頭.

Ar從注射針進入，利用質(zhì)量流量計控制流量為0.8L／min.電源為幅值0～20kV，頻率8kHz的交流電源.采用TextronixP6015A高壓探頭測量電源輸出電壓，輸出電流通過測量與接地電極串聯(lián)的50Ω電阻上的電壓得到，并記錄在TextronixTDS2012B示波器上.放電照片由尼康數(shù)碼相機COOLPIX S600拍攝.

3 結(jié)果與討論

峰值電壓為6.2kV、Ar流量為0.8L／min時的放電圖如圖2所示.

圖2 放電圖像

3.1 靜電場計算

為了計算出Ar等離子體射流裝置的靜電場分布，必須要知道積累在石英玻璃管內(nèi)壁上的電荷，因此首先利用等效電路計算了高壓電極和石英玻璃管內(nèi)壁之間氣隙處的傳導(dǎo)電流.圖3給出了Ar等離子體射流裝置的電路模型.

在圖3中，電容Cd表示高壓電極與接地電極之間的介質(zhì)電容.電容Cp1和電阻Rp1分別表示高壓電極與石英玻璃管內(nèi)壁之間氣隙處放電產(chǎn)生的空氣等離子體的等效電容和電阻.電容Cp2和電阻Rp2分別表示Ar等離子體射流的等效電容和電阻.Utot（t），Itot（t），Idp（t），Idc1（t），Idcp（t）和Idc2（t）分別表示總電壓、總電流、通過高壓電極與接地電極之間介質(zhì)的位移電流、通過高壓電極與石英玻璃管內(nèi)壁之間氣隙的傳導(dǎo)電流、接地電極處通過50Ω電阻測量得到的電流、Ar等離子體射流電流.根據(jù)基爾霍夫理論可得：

圖3 Ar等離子體射流裝置的等效電路圖

圖4給出了峰值電壓900V時測量得到的位移電流Idp（t）和總電壓Utot（t）的波形.在峰值電壓為900V時高壓電極與石英玻璃管內(nèi)壁之間氣隙處沒有出現(xiàn)放電現(xiàn)象，因此峰值電壓900V時測量得到的電流為位移電流Idp（t）.

圖4 峰值電壓為900V時位移電流Idp（t）和總電壓Utot（t）的波形

圖5給出了介質(zhì)電容Cd在2個周期內(nèi)的變化情況，是根據(jù)方程（1）由圖4給出的位移電流數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到.從介質(zhì)電容Cd的波形上可以看出，出現(xiàn)了8個極值，這是因為方程（1）中相應(yīng)的dUtot（t）／dt值接近零所導(dǎo)致，去除了極值之后對其平均就可以得到介質(zhì)電容Cd的平均值［14］.

圖5 峰值電壓為900V時介質(zhì)電容Cd在2個周期內(nèi)的變化

圖6給出了在峰值電壓為6.2kV時Idcp（t），Idc1（t），Idp（t）和Utot（t）的波形.在峰值電壓為6.2kV時，高壓電極與石英玻璃管內(nèi)壁之間氣隙處出現(xiàn)放電現(xiàn)象，因此峰值電壓為6.2kV時用方程（1）和（2）計算得到了位移電流Idp（t）和傳導(dǎo)電流Idc1（t）.從圖6中可看出，Idc1（t）比Idcp（t）小了很多，這說明Idp（t）在Idcp（t）中占了比較大的比例，并且Idc1（t）的波形上出現(xiàn)了大量的放電細絲，這也與典型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電電流波形相似［15］.

圖6 峰值電壓為6.2kV時Idcp（t），Idc1（t），Idp（t）和Utot（t）的波形

利用有限元分析軟件ElecNet［16］（試用版）計算了Ar等離子體射流裝置靜電場的2維分布.計算中所用到的電壓和電荷面密度［ρ＝為接地電極覆蓋的石英玻璃管內(nèi)壁的側(cè)面積］是峰值電壓為6.2kV時43.8μs時刻（圖6）得到，并且認為面電荷密度在石英玻璃管的內(nèi)壁（接地電極覆蓋區(qū)域）分布是均勻的.從圖6中可以看出，在43.8μs時刻電流Idc1（t）幾乎為零，因此可以通過擬合確定石英玻璃管的相對電容率，其值為7.5.聚四氟薄膜的相對電容率取2.55，空氣相對電容率取1.

圖7給出了峰值電壓為6.2kV時43.8μs時刻電場絕對值的2維分布云圖，電場強度單位為V／m.圖8給出了沿著y＝17mm虛線電場絕對值的1維變化.從圖8中可以看出，接地電極邊緣處電場絕對值最大，這是因為接地電極邊緣處曲率最大，而針管內(nèi)電場為零.圖9給出了沿著y＝5mm虛線電場絕對值的1維變化.從圖9中看出針尖處的電場絕對值小于2kV／mm，因此在43.8μs時刻針尖處不會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，并且針尖處出現(xiàn)了2個峰值，這是因為針尖的外邊緣和內(nèi)邊緣處的曲率大于兩者之間處的曲率.

圖7 峰值電壓為6.2kV時43.8μs時刻電場絕對值的2維分布云圖

圖8 沿著y＝17mm虛線電場絕對值的1維變化

圖9 沿著y＝5mm虛線電場絕對值的1維變化

3.2 光譜特性

圖10～12為峰值電壓為6.2kV時在針尖下方5mm處測量得到的發(fā)射光譜.從圖10～12中可以得知Ar等離子體射流中存在激發(fā)態(tài)的Ar，OH，O，N2等物質(zhì)，其中OH和O是氧化性很強的活性粒子，因此該Ar冷等離子體射流裝置可以應(yīng)用于殺菌消毒、微生物處理、薄膜沉積等領(lǐng)域.

圖10 峰值電壓為6.2kV時波長為300～410nm處的發(fā)射光譜

圖11 峰值電壓為6.2kV時波長為410～650nm處的發(fā)射光譜

圖12 峰值電壓為6.2kV時波長為650～900nm處的發(fā)射光譜

分別選擇圖11和圖12中的中性Ar原子譜線415.9nm（躍遷：3s23p55p→3s23p54s）和706.7，714.7，738.4，751.5，794.8，800.6nm（躍遷：3s23p54p→3s23p54s），利用玻爾茲曼分布法計算了電子激發(fā)溫度Texc（K）［10－11］，由圖13給出，其縱坐標(biāo)中的I，λ（nm），g和A（s－1）分別為光強、波長、統(tǒng)計權(quán)重和躍遷概率.從圖13可得在峰值電壓為6.2kV時，電子激發(fā)溫度為3 221K，與Wei等人［17］在大氣壓Ar等離子體射流中所得的電子激發(fā)溫度結(jié)果相一致.

圖13 峰值電壓為6.2kV時玻爾茲曼分布法得到的電子激發(fā)溫度

氮分子第二正帶系C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）躍遷光譜的轉(zhuǎn)動溫度Trot（K）常用來確定氣體溫度［7］，因此在波長為368～382nm范圍內(nèi)對其進行了模擬，并且與實驗測得的光譜進行了比較，從而確定出了氣體溫度.圖14給出了峰值電壓為6.2kV時氮分子第二正帶系的模擬光譜和實驗測得光譜.從圖14中可以看出，模擬光譜與實驗測得光譜吻合得非常好，也就是說電壓為6.2kV時距針尖下方5mm處的氣體溫度僅是354K，而振動溫度Tvib是1 349K，比轉(zhuǎn)動溫度高出很多，這也說明產(chǎn)生的Ar等離子體射流處于非平衡狀態(tài).

圖14 峰值電壓為6.2kV時波長為368～382nm的氮分子第二正帶系C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）躍遷光譜的模擬和實驗測量圖

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了可以在空氣中直接點燃的針－環(huán)式Ar冷等離子體射流裝置.

2）提出了實驗和等效電路相結(jié)合計算傳導(dǎo)電流的方法，并利用該方法計算得到了峰值電壓為6.2kV時高壓電極與石英玻璃管內(nèi)壁之間氣隙處的傳導(dǎo)電流，繼而計算出了43.8μs時刻電場絕對值的2維分布云圖和1維分布.結(jié)果表明：43.8μs時刻接地電極處電場最大，針尖處不會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，并且針管內(nèi)電場為零.

3）通過發(fā)射光譜發(fā)現(xiàn)了激發(fā)態(tài)的Ar，OH，O，N2等物質(zhì)存在于Ar等離子體射流中，因此該Ar射流裝置可應(yīng)用于殺菌消毒、微生物處理、薄膜沉積等領(lǐng)域.

4）針尖下方5mm處的氣體溫度僅僅為354K，而振動溫度是1 349K，這說明產(chǎn)生的Ar等離子體射流處于非平衡狀態(tài).利用玻爾茲曼分布法得到的電子激發(fā)溫度為3 221K.

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Discharge characteristics of cold atmospheric Ar plasma jet with needle－ring electrode

PAN Jing，HONG Yi，WANG Ju－xia
（College of Physical and Electrical Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China）

Cold atmospheric Ar plasma jet was generated with needle－ring electrode.The conduction current in the gas gap between high voltage electrode and inner wall of quartz glass tube was calculated by equivalent circuit，and the 1Dcurve and 2Ddistribution map of electric field were calculated with applied voltage of 6.2kV at 43.8μs.It was found that at 43.8μs，the highest electric field appeared at the edge of the ground electrode and the discharge could not take place on the needle tip and the electric field within the needle tube was zero.The optical emission spectra indicated that the excited Ar，OH，O，N2species existed in the Ar plasma plume.The gas and vibrational temperature at the position 5mm away from the needle tip were determined by comparing the simulated spectra of the C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）transition of nitrogen with the measured spectra，which corresponded to 357Kand 1 349K，and the electronic excitation temperature was determined to be 3 221Kby the Boltzmann plot method.

needle－ring electrode；equivalent circuit；electric field magnitude；gas temperature；electronic excitation temperature

O53

A

1005－4642（2012）11－0013－06

［責(zé)任編輯：任德香］

2012－04－05；修改日期：2012－06－22

渭南師范學(xué)院研究生專項資助項目（No.07YKZ061，07YKZ060）；陜西省自然科學(xué)基金資助項目（No.SJ08A25）

潘 靜（1979－），女，遼寧開原人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院講師，碩士，從事大學(xué)物理和電磁學(xué)教學(xué)理論和實驗研究.