基于斯塔克理論的水中電弧放電電子密度光譜診斷

蘭生，章婧

（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350108）

基于斯塔克理論的水中電弧放電電子密度光譜診斷

蘭生，章婧

（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350108）

針對水中火花放電引起的等離子體電子密度的檢測問題，根據(jù)光柵光譜儀檢測到的光譜譜線，結(jié)合等離子體發(fā)射光譜的斯塔克譜線展寬理論，以及放電區(qū)域處于局部的熱力學平衡狀態(tài)，根據(jù)等離子體譜線特征，提出了診斷水中放電等離子體的電子密度方法，依靠所測到的光譜譜線計算出水中火花放電的電子密度，計算結(jié)果表明:當電極間距為3 mm，放電電壓為1 000 V時，水中電弧放電電子密度為1.619 9×1021m－3。提出的方法可以作為一種水中放電等離子體診斷電子粒子密度的方法。

水中電弧放電;等離子體診斷;等離子體電子密度;光譜診斷

0 引言

一些研究者利用不同形狀點電極在水中進行不同類型的高壓脈沖火花放電，Hayamizu研究水中火花放電所發(fā)出的紫外線，及放電產(chǎn)生的活性化學物種［1－2］。文獻［3］研究了水下火花放電的電流特性。關(guān)于水中液體放電的發(fā)射光譜有一些詳細報道，在這些文獻中利用發(fā)射光譜在200～1100 nm波長處對水中放電生成的物種·OH，H，O有詳細的定性分析［4－6］。Clements等［2］利用水中放電等離子體進行有機物降解的研究。有些報道關(guān)于放電的狀態(tài)可以用發(fā)射光譜法進行診斷和測量［7］。關(guān)于水中放電發(fā)射光譜研究，文獻［5］光譜檢測了放電過程中含有H，O和·OH。然而，目前的大多數(shù)放電光譜診斷方法只提供定性判別，在水中放電等離子體診斷的應(yīng)用過程中，本文對水中脈沖電壓引起的火花放電過程進行了研究，利用光譜儀檢測水中火花光譜的分布，利用斯塔克效應(yīng)和放電光譜譜線對放電形成的等離子體密度進行計算，此種方法為定量地測量水中等離子體方面提供了一種重要的研究方法。

1 發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)原理和實驗

根據(jù)量子理論，當原子的電子從高能級軌道躍遷到低能級，會輻射出一定波長的光子。相反，原子吸收激發(fā)能，促使電子由低能級躍遷到高能級上，并發(fā)射出光子。具有一定動能的電子碰撞原子的電離公式為

式中:Ui為電離電位;m為質(zhì)量;v為速度;輻射出相應(yīng)頻率為ν的光子有

激發(fā)態(tài)粒子從高能級E2，躍遷到低能級E1。

根據(jù)等離子體發(fā)射光譜的強度和譜線特征，可確定激發(fā)態(tài)電子的密度，這種方法可以作為等離子體診斷的方法之一。等離子體粒子的光譜診斷有發(fā)射光譜法、吸收光譜法和激光誘導熒光法。本文采用發(fā)射光譜法。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，等離子體光譜診斷系統(tǒng)主要部件包括:等離子放電反應(yīng)器、光柵光譜儀、數(shù)據(jù)采集器和計算機。

圖1 等離子體光譜診斷系統(tǒng)Fig.1The system of plasma spectrometry diagnosis

實驗系統(tǒng)工作原理:如圖1所示，放電反應(yīng)器在放電時，會產(chǎn)生等離子體發(fā)射光譜，光通過透鏡聚焦增強后，光進入光柵光譜儀進行數(shù)據(jù)采集，光譜儀采集到的光譜通過數(shù)據(jù)采集器和計算機存儲顯示。這個實驗系統(tǒng)可以測量放電等離子體的發(fā)射光譜強度和譜線分布，然后根據(jù)不同原子發(fā)射的譜線波長和光強度，通過光譜理論診斷等離子體的狀態(tài)，得到等離子體的電子溫度、電子密度等參數(shù)。對等離子體進行定性及定量分析。

由于通過光譜測量系統(tǒng)得到等離子體射流的發(fā)射光譜強度與等離子體射流的電子溫度、電子密度和其他粒子成分等參數(shù)相關(guān)，所以，可獲得等離子體通道內(nèi)電子和其他粒子的密度和溫度信息。對水放電發(fā)射光譜進行全程掃描，按·OH、O和H發(fā)射的特征波長，確定放電存在·OH、O和H。經(jīng)計算后可得到對應(yīng)的粒子密度。

［6］放電峰值電壓為+11 kV，電導率為23 μs/cm，針板電極的距離是10 mm;對水蒸氣放電發(fā)光進行全程掃描光譜發(fā)射譜線的位置，H（656 nm），O，·OH（309 nm）發(fā)射譜線的位置。在參考文獻［5，8］中同時測得。

放電時，水分子被電子直接碰撞分解成一些粒子，其中O、H原子是這個反應(yīng)的主要生成物。如果提高放電電壓，注入放電等離子體的功率相應(yīng)增大時，電子密度和電子的動能也會增大，可以生成更多的O、H活性粒子，發(fā)射光譜強度也隨之增強，例如O（544 nm），H（n=3－2）656 nm是其中的發(fā)射譜線。

O、H原子的主要生成反應(yīng)為

式中，電子碰撞水分子，產(chǎn)生電離，同時形成激發(fā)態(tài)的粒子。這些反應(yīng)均為電子直接碰撞解離反應(yīng)。當升高電壓和電源功率時，高能電子密度和電子平均能量均會增大，生成了更多的O，H活性原子，它們的特征譜線有:O為544 nm，H（n=3－2）為656 nm的發(fā)射光譜強度隨著電壓和功率升高而增強，以及O（3Ρ5Ρ）的相對布居也隨之增多。

圖1為進行水放電的實驗示意圖，電極為針－針結(jié)構(gòu)。電極在高壓作用下，放電電極間距是3 mm，放電電壓是1 000 V，對水放電。在水中放電能產(chǎn)生O和H等，通過發(fā)射光譜法測量它們的光譜分布參數(shù)，根據(jù)理論對等離子體進行診斷。

圖2和圖3為本文利用三光柵掃描儀所測得的相應(yīng)的發(fā)射強度和特征譜線。這個實驗測得的結(jié)果與文獻［6，10，11］的結(jié)果類似，由譜線可見，在可見光區(qū)的譜線:氫原子Hα（n=3－2）（656.3 nm），Hβ（486.1 nm），Hγ（434.0 nm）;O（3Ρ5Ρ→3S5） 777 nm。

圖2 水中放電的H原子發(fā)射譜線分布Fig.2Distribution of emission spectrum line of hydrogen atom discharging in water

圖3 在針－針電極作用下的水中放電光譜圖Fig.3Spectrogram of discharging in water by needle-needle electrodes

2 放電電極的光譜

圖4表示，利用光譜儀測得的部分譜線，其中包含有3條銅原子發(fā)射譜線，波長分別為511.39 nm，516.4 nm，522.2 nm，文獻［11］中銅的光譜譜線也是這一譜線分布規(guī)律。

圖4 水中放電銅電極的發(fā)射光譜Fig.4Emission spectrum of copper electrode discharging in water

3 等離子體光譜診斷

3.1 H原子發(fā)射光譜

如果放電時產(chǎn)生的等離子體電子密度和能量足夠大時，利用發(fā)射光譜譜線展寬的斯塔克效應(yīng)測定電子密度是最有效的方法。電場引起光譜項及譜線分裂，并使光強度中心頻移的物理現(xiàn)象稱為斯塔克效應(yīng)。根據(jù)斯塔克譜線展寬理論，水中放電等離子體中粒子發(fā)出光輻射受到周圍電子的微觀電場干擾，根據(jù)準態(tài)微場理論，這種干擾會在譜線的輪廓上反映出來，由這一干擾因素造成的譜線展寬，譜線的展寬程度與等離子體的電子密度有關(guān)，測量譜線輪廓的半高全寬，根據(jù)計算公式可得到電子密度。

對于氫原子，斯塔克效應(yīng)是線性展寬，它的譜線展寬與電子密度有關(guān)，這時譜線輪廓的半峰寬，與電子密度關(guān)系式［12］為

表1為H原子的巴耳末譜線的特征波長，H原子處于不同的激發(fā)態(tài)能級間躍遷，輻射出相應(yīng)波長的光。

表1 氫的巴耳末譜線系波長Table 1Balmer’s spectrum wavelength of hydrogen atom

圖5為利用光柵光譜儀檢測到的H原子光譜數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，Hβ（486.133 nm）、Hγ（434.047 nm）的光強度分別為116、34。

圖5 H原子的發(fā)射光譜譜線Fig.5Emission optic spectrum line of H atom

3.2 等離子體粒子密度診斷

假定放電處于局部的熱力學平衡狀態(tài)，根據(jù)雙譜線比值法，可以得到等離子體溫度［5，12］。

由圖5可知，H原子的巴耳末譜系中的相對輻射強度IHβ=116，IHγ=34，代入式（4）解得T= 9212k;根據(jù)斯塔克效應(yīng)，可得斯塔克展寬效應(yīng)圖，把圖5的H原子譜線放大展開，Hβ譜線見圖6。由圖中可知Hβ譜線輪廓的半峰寬原子得，Ne=1.6199×1021m－3。

圖6 Hβ的發(fā)射譜線展開圖Fig.6Unfolded drawing of Hβemission spectrum line

4 結(jié)論

利用發(fā)射光譜技術(shù)，測量了放電中產(chǎn)生的O原子，H原子和Cu原子的發(fā)射光譜譜線。在假定等離子體達到熱力學平衡或局部熱力學平衡狀態(tài)下，利用譜線展寬的斯塔克效應(yīng)，求得了電子密度，此種研究方法能對水中放電的等離子體粒子密度進行定性和定量診斷，為此類研究提供參考。

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（編輯:劉琳琳）

The spectrum diagnosis of electron density caused by spark discharge in water based on Stark theory

LAN Sheng，ZHANG Jing
（College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

In order to measure electron density caused by the plasma arc discharge in water，according to the cause of plasma emission wavelength characteristic plasma in water discharge by the spectrometer and using the Stark line broadening theory，the method was put forward that diagnosis electronic density of water discharge plasma when the plasma belongs to the equilibrium plasma state in the center region.The electron densities were calculated by the spectrometer spectral lines using Stark line broadening theory theory.The calculation results show that:when the electrode spacing is 3mm，the discharge voltage is 1000V，according to the detected spectrum and the water of spark discharge electron density of 1.6199× 1021m－3.The proposed method can be used for the diagnosis of water discharge plasma particle density.

spark discharge in water;plasma diagnosis;plasma species density;spectrum diagnosis

10.15938/j.emc.2015.03.015

TM 8

A

1007－449X（2015）03－0096－04

2014－05－13

福建省自然

（2011J01296）

蘭生（1971—），男，博士，副教授，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù);

章婧（1991—），女，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)、高壓脈沖放電。

章婧