介質(zhì)阻擋放電中等離子體子彈的速度

李雪辰，趙歡歡，劉潤(rùn)甫，常媛媛

（河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002）

氣體放電產(chǎn)生的低溫非平衡態(tài)等離子體存在著大量的活性粒子，因此在生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用.例如，可以用于材料蝕刻［1］、表面處理［2］、臭氧合成［3］、水處理［4］、殺菌消毒等［5－6］.介質(zhì)阻擋放電（DBD）是產(chǎn)生低溫非平衡態(tài)等離子體的有效方法.

對(duì)氣體放電而言，在不同的氣壓（p）以及不同的氣隙間距（d）下會(huì)產(chǎn)生不同的放電模式，即pd值決定擊穿機(jī)制.在pd值較低的情況下為T(mén)ownsend擊穿機(jī)制，高pd值下為流光擊穿機(jī)制［7］.Choi等人［8］利用平行平板DBD裝置研究了氮?dú)庵胁煌琾d值的放電現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)改變pd值放電可以在輝光模式與流光模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換.Chu和Huang［9］利用平行平板DBD研究了在大氣壓空氣中的放電，發(fā)現(xiàn)隨著d的不斷減小，放電由隨機(jī)放電絲、固定放電絲、星狀放電絲、快速移動(dòng)放電絲轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎烹?與平行平板實(shí)驗(yàn)裝置相比針板放電裝置可以實(shí)現(xiàn)大氣壓下較長(zhǎng)間隙的穩(wěn)定放電.例如，Machala等［10］在大氣壓空氣中采用針板直流放電裝置，通過(guò)改變放電回路的負(fù)載電阻在d值為6mm的情況下發(fā)現(xiàn)放電有流光電暈?zāi)Ｊ健⑤x光放電模式以及火花放電模式.Sun等人［11］利用針板DBD裝置在大氣壓下以氦氣為工作氣體研究了d值為15mm的放電，發(fā)現(xiàn)放電處于輝光模式.通過(guò)亞微秒曝光時(shí)間ICCD拍攝放電發(fā)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)放電在針電極上形成等離子體柱，并且等離子體柱會(huì)在板電極表面擴(kuò)展成圓盤(pán)狀的等離子體（圓盤(pán)直徑最大可達(dá)50mm）.Qi等人［12］研究了d值為8mm的大氣壓氬氣針板DBD，發(fā)現(xiàn)放電由針板間的流光通道和周圍的電暈放電現(xiàn)象組成，并通過(guò)放電的電磁輻射對(duì)2種放電模式的等離子體離子密度進(jìn)行了研究.筆者利用大氣壓針板DBD放電裝置在2.5mm氬氣間隙下［13］，發(fā)現(xiàn)放電處于輝光模式，并研究了不同氣壓下等離子體直徑隨外加電壓的變化關(guān)系.

以上研究中雖然能夠在較長(zhǎng)間隙中產(chǎn)生穩(wěn)定放電，但工作氣體多為惰性氣體.從應(yīng)用角度而言，在大氣壓空氣中產(chǎn)生低溫等離子體能夠使裝置簡(jiǎn)單化，降低生產(chǎn)成本.對(duì)于大氣壓長(zhǎng)間隙空氣放電一般認(rèn)為是流光擊穿，在這種情況下放電以發(fā)光光層的形式（稱為等離子體子彈）傳播.例如，Lu等人［14］利用噴槍裝置通入氦氣使用脈沖電源激勵(lì)在大氣壓下放電產(chǎn)生等離子體羽，發(fā)現(xiàn)等離子體羽是以等離子體子彈形式傳播，并用光電離理論對(duì)低電場(chǎng)下等離子體子彈的成因進(jìn)行了解釋.Kim等人［15］利用氬氣同軸電極放電裝置，研究了等離子體子彈的光電特征，并估算等離子體子彈的速度量級(jí)為104m／s.利用單針裝置研究大氣壓空氣放電中的等離子體子彈，發(fā)現(xiàn)等離子體子彈的速度量級(jí)為105m／s［16－17］.雖然大氣壓放電產(chǎn)生的等離子體羽和等離子體子彈已經(jīng)有了一定的研究，但利用針板DBD裝置產(chǎn)生大氣壓長(zhǎng)間隙空氣放電等離子體羽及等離子體子彈速度研究，未見(jiàn)報(bào)道.為此，本工作利用針板DBD裝置，采用光學(xué)方法對(duì)大氣壓長(zhǎng)間隙空氣DBD等離子體羽特性和等離子體子彈傳播速度進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

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

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中放電裝置為針板DBD結(jié)構(gòu).針電極由金屬鎢制作而成，直徑1.5mm的鎢針長(zhǎng)為30mm.鎢針電極針尖的直徑分別約為0.1，0.2和0.3mm.水電極為平板電極.水電極上覆蓋石英玻璃作為放電的阻擋層，針尖與石英玻璃之間的距離可以調(diào)節(jié).電源產(chǎn)生40kHz的正弦信號(hào)輸出，鎢針電極與高壓輸出相連.電源輸出的電壓通過(guò)高壓探 頭 （Tektronix P6015A）測(cè) 量，并 用 示 波 器 （Agilent DSO6054A）顯示和存儲(chǔ).該示波器有4個(gè)通道，可以同時(shí)記錄4個(gè)信號(hào).利用光電倍增管（ET 9085SB）對(duì)光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，光電倍增管即可以收集全部放電的發(fā)光，即測(cè)量總發(fā)光信號(hào)，又可以對(duì)放電發(fā)光進(jìn)行空間分辨測(cè)量.對(duì)于空間分辨測(cè)量，利用凸透鏡成像后，在像平面位置的光闌選擇某位置放電發(fā)光信號(hào)后進(jìn)入光電倍增管，這樣每個(gè)光電倍增管可以測(cè)量放電區(qū)域直徑約1mm的光信號(hào)（部分光信號(hào)）.利用2個(gè)部分光信號(hào)對(duì)應(yīng)空間距離除以光信號(hào)的時(shí)間延遲可以獲得等離子體子彈的傳播速度.放電發(fā)光經(jīng)凸透鏡匯聚后進(jìn)入光譜儀（ACTON SP2758，CCD：1340×400 pixels），放電發(fā)射光譜可以通過(guò)電腦顯示并存儲(chǔ).利用數(shù)碼相機(jī)（Canon EOS 7D）拍攝放電照片，曝光時(shí)間為40ms.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為針板間距3cm時(shí)針板之間針尖所產(chǎn)生的等離子體羽放電長(zhǎng)度隨峰值電壓UP變化照片，其中針尖在0位置.由圖可知，隨著UP的變化等離子體羽長(zhǎng)度也發(fā)生變化.在剛達(dá)到擊穿電壓時(shí)，放電發(fā)生在針尖處很小的區(qū)域，此時(shí)為電暈放電.隨著外加電壓的升高，放電區(qū)域增大，亮度增強(qiáng).外加電壓約為12.7kV，放電在針板之間區(qū)域突然增長(zhǎng)，形成等離子體羽，如圖2a所示.該等離子體羽與等離子體針?lè)烹姰a(chǎn)生的等離子體羽形狀相似［16－17］.隨著UP的增加，等離子體羽長(zhǎng)度減小，如圖2b所示.當(dāng)外加電壓約為14.8kV時(shí)，等離子體羽長(zhǎng)度再次突然增長(zhǎng)，如圖2c所示.隨著外加電壓的增加，等離子體羽長(zhǎng)度會(huì)再次減小，如圖2d所示.當(dāng)外加電壓約為16.2kV時(shí)，等離子體羽長(zhǎng)度出現(xiàn)第3次突然增長(zhǎng).此后隨著外加電壓的增加，等離子體羽長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)，直至達(dá)到2個(gè)電極之間的距離，如圖e，f所示.因此，在等離子體羽放電過(guò)程中隨著UP的升高，等離子體羽長(zhǎng)度會(huì)呈階段性增長(zhǎng)，而等離子體針產(chǎn)生的等離子體羽長(zhǎng)度隨電壓增大單調(diào)增加［17］.

圖2 針板間距3cm不同峰值電壓UP下的放電照片F(xiàn)ig.2 Interval 3cm between the needle tip and the plate with various discharge images under serial UP

圖2a對(duì)應(yīng)的總發(fā)光信號(hào)波形如圖3所示.由圖可知，當(dāng)UP約為12.7kV時(shí)在外加電壓正半周期的上升沿出現(xiàn)1個(gè)放電脈沖，脈沖寬度約為160ns.研究發(fā)現(xiàn)隨著UP的升高，放電脈沖會(huì)出現(xiàn)時(shí)刻前移.

圖3 峰值電壓UP＝12.7kV的總發(fā)光信號(hào)的波形Fig.3 Waveforms of the total light emission under UP＝12.7kV

利用光電倍增管對(duì)放電發(fā)光進(jìn)行空間分辨測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大氣壓長(zhǎng)間隙空氣DBD也是以發(fā)光光層（等離子體子彈）的形式進(jìn)行傳播.為了研究等離子體子彈的速度（利用2個(gè)部分光信號(hào)對(duì)應(yīng)空間距離除以光信號(hào)的時(shí)間延遲獲得等離子體子彈的傳播速度）分布，對(duì)不同空間位置等離子體子彈速度進(jìn)行了研究.圖4為外加電壓正半周期單個(gè)脈沖針尖直徑Φ＝0.1mm時(shí)等離子體子彈的速度的空間分布.從圖4可以看出長(zhǎng)間隙DBD放電中等離子體子彈的速度量級(jí)為105m／s.這與噴槍以及單針等離子體子彈的傳播速度量級(jí)一致［16－18］.圖4a給出了針板間距d＝2.5cm時(shí)的等離子體子彈速度空間分布.從圖4a中可以看出，同一空間位置在UP＝12.7kV時(shí)的等離子體子彈速度大于UP＝13.7kV時(shí)的等離子體子彈速度，并且在同一電壓下等離子體子彈速度隨著距離針尖距離的增加而減小.圖4b為針板間距d＝4.5cm時(shí)的等離子體子彈速度空間分布，等離子體子彈速度的空間分布與圖4a相似，同一位置處外加電壓高的等離子體速度比外加電壓低的等離子體速度慢，并且在同一電壓下離針尖越遠(yuǎn)的位置等離子體速度越慢.從圖4a和圖4b中可以看出，在UP＝13.7kV的情況下針板間距大的等離子體子彈的速度大于針板間距小的等離子體子彈的速度.

圖4 不同針板間距等離子體子彈速度的空間分布Fig.4 Velocity distribution of the plasma bullet in space with different intervals

圖5給出了針板間距d＝4.5cm峰值電壓UP＝14.8kV不同直徑針尖放電產(chǎn)生的等離子體子彈速度的空間分布.從圖中可以看出，針板間距為4.5cm且相同外加電壓情況下，不同的針尖直徑放電產(chǎn)生的等離子體子彈速度也不相同.針尖直徑越大等離子體子彈速度也越大，并且距針尖越近不同針尖直徑放電產(chǎn)生的等離子體子彈速度差別越大，隨著遠(yuǎn)離針尖等離子體子彈速度趨于相等.

圖5 不同針尖直徑Φ（0.1，0.2，0.3mm）的等離子體子彈速度空間分布Fig.5 Changing curves belonging to the velocity distribution of the plasma bullet in space depending on various diameters of needle tipsΦ（0.1，0.2，0.3mm）

利用光譜儀對(duì)大氣壓長(zhǎng)間隙空氣介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜（300～850nm）進(jìn)行了測(cè)量，如圖6所示.從圖中可以看出，放電等離子體發(fā)射光譜中存在OH譜帶（在309nm附近）和O原子譜線（777.4nm）.OH自由基309nm的譜線帶系源于A2Σ＋（v′＝0）→XⅡ（v″＝0）躍遷，O原子777.4nm譜線是氧原子的一個(gè)2p電子被激發(fā)后從3p態(tài)躍遷到3s態(tài)產(chǎn)生的，相應(yīng)的原子譜線項(xiàng)是5p→5s0.OH自由基譜帶和O原子譜線的出現(xiàn)，表明在大氣壓長(zhǎng)間隙空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體中產(chǎn)生活性粒子，這些活性粒子常用于表面處理、殺菌消毒、水處理等方面，從而表明該放電在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

圖6 大氣壓長(zhǎng)間隙介質(zhì)阻擋放電300～850nm的發(fā)射光譜Fig.6 Emission spectrum between 300—850nm of the long distance dielectric barrier discharge in atmosphere

3 結(jié) 論

對(duì)大氣壓長(zhǎng)間隙空氣介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體羽特性和等離子體子彈速度進(jìn)行了研究.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在等離子體羽放電過(guò)程中隨著UP的升高，等離子體羽長(zhǎng)度呈階段性增長(zhǎng).利用光電倍增管采集光信號(hào)，通過(guò)2個(gè)部分光信號(hào)對(duì)應(yīng)空間距離除以光信號(hào)的時(shí)間延遲計(jì)算了等離子體子彈的傳播速度，等離子體子彈速度的量級(jí)為105m／s.對(duì)等離子體子彈速度的空間分布研究發(fā)現(xiàn)，同一電壓下，隨著距針尖距離的增加，等離子體子彈速度減??；同一位置處，外加電壓高時(shí)的等離子體子彈速度小于外加電壓低時(shí)的等離子體子彈速度；相同電壓下，針板間距大的等離子體子彈速度大于針板間距小的等離子體子彈速度；針尖直徑不同在相同電壓時(shí)，同一位置處的等離子體子彈速度隨著針尖直徑增大而增大，并且隨著遠(yuǎn)離針尖等離子體子彈速度趨于相等.利用光譜儀對(duì)大氣壓長(zhǎng)間隙空氣介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜（300～850nm）進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)放電等離子體中存在OH自由基、氧原子等多種活性粒子，該放電研究在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

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