常壓直流脈沖輔助射頻放電起輝過程研究

趙文亮， 郭 穎， 任吉達(dá)， 張 杰， 張 菁， 石建軍

(東華大學(xué) 理學(xué)院，上海 201620)

常壓直流脈沖輔助射頻放電起輝過程研究

趙文亮， 郭 穎， 任吉達(dá)， 張 杰， 張 菁， 石建軍

(東華大學(xué) 理學(xué)院，上海 201620)

采用組合電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生常壓等離子體射流，對(duì)直流(DC)脈沖輔助射頻放電進(jìn)行試驗(yàn)研究．在每個(gè)射頻脈沖產(chǎn)生之前，引入一個(gè)微秒級(jí)DC脈沖放電，通過采集放電電流和電壓曲線以及時(shí)間分辨放電圖像，研究這種組合放電的電學(xué)特性及時(shí)空分布．結(jié)果表明，在射頻放電脈沖中間引入微秒級(jí)DC脈沖放電之后，使射頻放電脈沖起輝電壓從3．86 kV降低到1．61 kV，提高了常壓脈沖射頻放電的穩(wěn)定性，可為常壓射頻放電在工業(yè)上的連續(xù)化應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)．

常壓等離子體射流； 射頻放電； 直流脈沖放電； 放電起輝

常壓等離子體射流在醫(yī)學(xué)、生物和材料領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-3]．常壓等離子體射流相比于其他等離子體放電形式(電暈和火花放電)，其具有等離子體溫度低、放電裝置簡(jiǎn)易、化學(xué)活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-6]．近年來，常壓等離子體射流因其成本低廉，適合對(duì)復(fù)雜形狀材料進(jìn)行表面處理，成為低溫常壓等離子體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[7-10]．

常壓等離子體放電激發(fā)頻率通常集中在千赫茲和兆赫茲之間[11-12]．激發(fā)頻率在千赫茲范圍的常壓介質(zhì)阻擋放電(DBD)或高壓直流(DC)脈沖放電，兩者均為脈沖性放電．在介質(zhì)阻擋放電的情況下，由于電荷在介質(zhì)表面的累積效應(yīng)，每個(gè)高壓脈沖期間在靠近上升沿和下降沿處分別發(fā)生一次放電．而且高壓脈沖時(shí)間可以短至十幾納秒，放電穩(wěn)定性容易控制．文獻(xiàn)[13]通過毫米干涉儀測(cè)得的常壓脈沖放電峰值時(shí)電子密度達(dá)到8×1012個(gè)/cm3，且氣體溫度仍能保持在室溫附近．但是由于高壓脈沖的重復(fù)頻率一般在10 kHz以下，在一個(gè)周期的大部分時(shí)間內(nèi)沒有放電，因此，放電產(chǎn)生的等離子體平均密度不高，限制了其應(yīng)用的范圍．

激發(fā)頻率在兆赫茲范圍的常壓射頻輝光放電，由于激發(fā)頻率較高，放電產(chǎn)生的電子隨外加射頻電壓在兩個(gè)放電極板間來回振蕩，可在整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)維持放電，表現(xiàn)為連續(xù)性放電．因此放電的擊穿和維持電壓都比較低，產(chǎn)生的等離子體中活性粒子密度高，約為1010～1013個(gè)/cm3(氦氣中)，對(duì)應(yīng)的體相化學(xué)反應(yīng)速率高[14]．此外，常壓射頻輝光放電的氣體溫度較高(200～500 ℃)[15]．為了解決常壓下射頻放電存在的熱不穩(wěn)定性、氣體溫度高等問題，采用脈沖調(diào)制射頻放電．文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)制脈沖頻率的占空比小于0．5%時(shí)才能獲得穩(wěn)定的大氣壓輝光放電.文獻(xiàn)[17]研究發(fā)現(xiàn)，在增加介質(zhì)阻擋后當(dāng)調(diào)制脈沖頻率的占空比為6%～8%時(shí)能獲得較為均勻的常壓輝光放電．從這些研究中可以發(fā)現(xiàn)，放電調(diào)制脈沖頻率以及占空比將決定在射頻脈沖功率期間等離子體的放電機(jī)理和特性，但還是不能有效地提高等離子體密度和降低氣體溫度，抑制其熱不穩(wěn)定性，以及提高功率利用率．

在上述研究基礎(chǔ)上，本文通過DC脈沖射流放電來輔助射頻放電起輝，在射頻放電脈沖“關(guān)閉”階段引入高壓DC放電脈沖，主要研究這種新型放電形式的電流-電壓特性和放電的時(shí)空分布，揭示高壓DC放電脈沖對(duì)射頻放電脈沖起輝時(shí)的作用．

1 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 Schematic of the experimental device

DC脈沖輔助射頻放電系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示，放電裝置包括放電腔體和兩組電極．第一組電極接DC脈沖源，電極間距為3 cm；第二組電極接射頻源，電極間距為1 cm，放電腔體采用石英管(外徑為6 mm，內(nèi)徑為4 mm，長(zhǎng)度為10 cm)．放電氣體為純度99．99%的氦氣，氣體流量為2 L/min，放電氣壓為1×105Pa．試驗(yàn)中的射頻信號(hào)源激發(fā)頻率為13．56 MHz，調(diào)制頻率為5 kHz，占空比為50%，由Advanced Energy 電源(CESAR 1320 400 V型)和匹配器Advanced Energy(VM5000W型)提供．DC信號(hào)由Spellman DC電源(sl 2000型)和脈沖開關(guān)(DEI pvx -4110型)提供，其頻率為5 kHz，脈寬為1 μs．利用高壓探頭(Tektronix P5100型)和電流探頭(Pearson 2877型)分別將射頻和DC放電的電流電壓波形由數(shù)字示波器(Tektronix TDS3034C型)顯示，同時(shí)采用增強(qiáng)電荷耦合器件(ICCD)相機(jī)(Andor i-Star DH734型)來拍攝放電圖像，其圖像曝光時(shí)間為10 ns．

2 結(jié)果與討論

2．1 放電的電流和電壓曲線

圖2 DC脈沖輔助射頻輝光放電電流和電壓圖Fig．2 Current and voltage waveform of DC pulse assisting radio-frequency(RF) discharge

通過信號(hào)控制，在兩個(gè)射頻放電脈沖之間引入一個(gè)DC脈沖放電，DC脈沖與下一次射頻脈沖時(shí)間間隔為20 μs．DC脈沖輔助射頻放電的電流和電壓曲線如圖2所示．其中，圖2(a)是ICCD相機(jī)觸發(fā)信號(hào)的波形，其頻率為5 kHz，與DC和射頻脈沖調(diào)制頻率相同并同步；圖2(b)是DC脈沖放電的電壓曲線，頻率為5 kHz，脈寬為1 μs，電壓的峰值為4．23 kV；圖2(c)是射頻放電的電壓曲線，調(diào)制頻率為5 kHz，占空比為50%，電壓的峰值為1．01 kV；圖2(d)是DC脈沖放電和射頻放電的電流曲線，兩者電流峰值分別為0．05和0．03 A．圖3是DC放電的電流和電壓曲線的放大圖.由圖3可知，在DC脈沖放電的上升沿和下降沿各有一次放電，第一次放電是由于外加電壓導(dǎo)致的氣體放電，放電后空間電荷在電場(chǎng)的作用下積累到介質(zhì)層表面，這些電荷就產(chǎn)生了第二次氣體放電[18]．

圖3 DC脈沖放電的電流和電壓曲線Fig．3 Current and voltage waveform of DC pulse discharge

2．2 DC脈沖放電輔助射頻放電脈沖的時(shí)空分布

圖4 DC脈沖輔助射頻放電強(qiáng)度分布圖 (插圖為DC脈沖放電放大圖)Fig．4 Image intensity of DC pulse and RF discharge (Illustration is enlarged of DC pulse discharge)

一個(gè)調(diào)制周期的DC脈沖輔助射頻放電脈沖的強(qiáng)度分布如圖4所示．每張放電照片的曝光時(shí)間都為10 ns，在射頻脈沖放電開啟時(shí)，相鄰兩張放電照片的時(shí)間間隔為1 μs，而在DC脈沖放電開啟時(shí)，相鄰兩張放電照片的時(shí)間間隔為10 ns．提取出每張放電照片中最大放電強(qiáng)度的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理．DC脈沖和射頻放電在一個(gè)控制周期內(nèi)的時(shí)間分別為80．25～81．25 μs和115～200 μs．由圖4插圖可知，DC脈沖放電在一個(gè)控制周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)放電脈沖，這與圖3中的DC脈沖放電的電流峰的位置相對(duì)應(yīng)．放電強(qiáng)度在正向電流峰時(shí)達(dá)到最大值為100．在射頻放電的一個(gè)控制周期內(nèi)，最大放電強(qiáng)度為2．58，這也與圖2中的射頻放電的電流和電壓曲線在115～200 μs時(shí)相對(duì)應(yīng)．當(dāng)時(shí)間在115～145 μs時(shí)，放電強(qiáng)度從0．15增加到2．25，為射頻脈沖放電的起輝階段；當(dāng)時(shí)間在146～197 μs時(shí)，放電強(qiáng)度基本保持不變，射頻放電進(jìn)入穩(wěn)定階段；當(dāng)時(shí)間在197～204 μs時(shí)，放電強(qiáng)度從2．4快速地下降到0．1，說明這個(gè)周期的射頻放電已經(jīng)熄滅．

DC脈沖和射頻放電的時(shí)空分布如圖5所示．由圖5可知，放電時(shí)空分布與圖4中的放電強(qiáng)度分布圖相對(duì)應(yīng)．DC脈沖放電和射頻放電分別產(chǎn)生在放電間距為0～3．0 cm和3．6～4．6 cm處．在時(shí)間115～145 μs內(nèi)，射頻放電處于起輝過程，這與圖4中的射頻放電強(qiáng)度分布圖相對(duì)應(yīng)．DC脈沖放電時(shí)空分布的放大圖如圖6所示．由圖6可以發(fā)現(xiàn)，等離子體子彈經(jīng)DC脈沖電極，再穿過接地電極，最后到達(dá)射頻電極．

圖5 DC脈沖和射頻放電的時(shí)空分布Fig．5 Temporal evolution of discharge spatial profile in DC pulse and RF discharge

圖6 DC脈沖放電的時(shí)空分布Fig．6 Temporal evolution of discharge spatial profile in DC pulse discharge

2．3 DC脈沖放電對(duì)于射頻放電起輝電壓的影響

由于射頻等離子體射流在常壓下較難起輝，氣體擊穿電壓較高．在射頻放電和DC脈沖輔助射頻放電下，射頻放電起輝電壓隨放電間距的變化如圖7所示．在試驗(yàn)中，首先保持DC脈沖放電強(qiáng)度不變，再逐漸增加射頻放電的功率，記錄其起輝電壓值．由圖7可知，在引入DC脈沖放電后，射頻放電的起輝電壓有了顯著的降低，在放電間距為1．0 cm時(shí)，脈沖調(diào)制射頻放電起輝電壓從3．86 kV下降到1．61 kV．DC脈沖和射頻脈沖的時(shí)間間隔為20 μs，結(jié)合圖6可知，DC放電脈沖可進(jìn)入射頻放電區(qū)域，一般電子、離子和活性粒子壽命為幾十個(gè)微秒，所以DC脈沖放電所產(chǎn)生的電子、離子和活性粒子輔助了射頻放電的起輝[19]．

圖7 射頻放電和DC脈沖輔助射頻放電下不同放 電間距的射頻起輝電壓Fig．7 Ignition voltage of RF discharge with and without DC pulse discharge at different RF distance gap

3 結(jié) 語

本文采用一種新型的組合電極的常壓等離子體射流放電裝置，在射頻放電脈沖“關(guān)閉”階段引入高壓DC脈沖，研究了DC脈沖輔助射頻放電產(chǎn)生的等離子體起輝和熄滅的物理過程，揭示兩種放電相互作用的物理問題以及對(duì)常壓射頻脈沖放電的輔助作用．在DC脈沖放電產(chǎn)生的電子、離子和各種活性粒子的輔助下，射頻放電的起輝電壓從3．86 kV下降到1．61 kV．本文提供了一種在較低射頻功率下獲得穩(wěn)定常壓射頻射流放電的新方法，為獲得高密度、高活性、低氣體溫度和能耗的常壓輝光放電技術(shù)提供前期的試驗(yàn)依據(jù)．

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(責(zé)任編輯：徐惠華)

Study of Discharge Ignition in Atmospheric-Pressure Radio-Frequency Plasma Jet Assisted by Direct Current Voltage Pulses

ZHAOWenliang，GUOYing，RENJida，ZHANGJie，ZHANGJing，SHIJianjun

(College of Science， Donghua University， Shanghai 201620， China)

The direct current (DC) pulse assisted atmospheric-pressure radio-frequency(RF) plasma jet generated with the combined electrode configuration was studied． The sub-microsecond DC pulsed discharge was introduced between the pulse-modulated RF discharge bursts． The discharge characteristics and spatio-temporal evolution were investigated through the current voltage characteristics and time resolved imaging． The results show that the introduced DC pulse discharge assists the ignition of RF discharge burst by reducing the ignition voltage of RF discharge burst from 3．86 kV to 1．61 kV． It provides the way to achieve the stable atmospheric RF discharge bursts for potential applications in industries．

atmospheric-pressure plasma jet； radio-frequency discharge； direct current pulsed discharge； discharge ignition

1671-0444(2017)01-0134-05

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11475043，11375042)

趙文亮(1990—)，男，上海人，碩士研究生，研究方向?yàn)槌旱入x子體放電原理.E-mail: 13816385740@163.com 郭 穎(聯(lián)系人)，女，副教授，E-mail：guoying@dhu.edu.cn

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