氧氣含量對氦氧等離子體射流特性影響

黃 清， 魏 旭， 許建剛， 周志成

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 211100； 2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

氧氣含量對氦氧等離子體射流特性影響

黃 清1， 魏 旭1， 許建剛1， 周志成2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 211100； 2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

大氣低溫等離子體射流具有成本小、溫度低等特點，獲得了廣泛的工業(yè)應用。采用高壓高頻交流電源，通過PC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氦氣和氧氣的比例，建立了等離子體射流試驗系統(tǒng)。利用高速相機獲得了放電圖像，測量了射流發(fā)光長度和放電起始電壓，系統(tǒng)分析了氧氣含量對氦氧等離子體射流特性的影響。研究結(jié)果表明，氧氣會抑制放電過程的發(fā)展，進而對等離子體射流的特性造成影響，使得等離子體射流的發(fā)光強度和長度大大降低；放電起始電壓增大，放電頻率增大，放電電流尖峰數(shù)值增大，而放電功率則沒有太大變化；He和N的光譜強度隨氧氣含量增大而減小，O的光譜強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

等離子體射流； 氦氧等離子體； 氧氣含量； 放電起始電壓； 射流發(fā)光長度

0 引 言

大氣壓低溫等離子體射流(atmospheric pressure plasma jet，APPJ)能夠在開放空間中產(chǎn)生氣體溫度接近于室溫的等離子體射流[1-5]。與傳統(tǒng)等離子體技術(shù)相比，具有應用成本小，射流溫度低等特性，在材料表面處理和生物醫(yī)學領(lǐng)域有著廣泛的應用，已成為近年來等離子體方向的研究重點之一[6-10]。自1992年日本東京工業(yè)學院(Tokyo Institute of Technology)Koinuma等人首次報道APPJ以來，已經(jīng)發(fā)明了多種不同的APPJ裝置，如等離子體刷、超長等離子體柱、大面積陣列式 APPJ、等離子體針等[11-13]。

德國的 Teschke 建立了APPJ實驗系統(tǒng)，分析表明外表面雙電極結(jié)構(gòu)APPJ的射流長度主要取決于氣體濃度，利用處于層流狀態(tài)的 APPJ將活性物質(zhì)的能量傳遞給處理對象；康以蒲、張冠軍等通過實驗與仿真相結(jié)合的方法，探討了氣流、噴口外部氣體環(huán)境對 APPJ 長度等參數(shù)的影響；盧新培針對大氣壓非平衡等離子體射流研究進行了詳細的闡述，綜合分析了幾種以惰性氣體、氮氣和空氣作為工作氣體的典型的NAPPJ，并概括了APPJ的醫(yī)學應用現(xiàn)狀。目前對于APPJ的產(chǎn)生機理尚不完全清楚，對射流的關(guān)鍵參數(shù)等的控制研究仍有欠缺[14-18]。

本文采用高壓高頻交流電源，通過PC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氦氣和氧氣的比例，建立了等離子體射流試驗系統(tǒng)。利用高速相機獲得了放電圖像，測量了射流發(fā)光長度和放電起始電壓，系統(tǒng)分析了氧氣含量對氦氧等離子體射流特性的影響。

1 實驗裝置與測量方法

本文建立了等離子射流系統(tǒng)，如圖1所示。其中，交流電源為幅值0～8 kV，頻率為5 kHz。通過PC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氦氣和氧氣的比例?？涨涣⒎襟w為射流裝置的主體部分，采用有機玻璃組成。空腔內(nèi)部后壁固定一金屬銅塊，一方面與高壓電極相連，另一方面用于固定射流噴頭的針狀電極。該射流噴頭為石英玻璃圓管，其內(nèi)徑為4.5 mm，壁厚為1 mm。石英玻璃管中心是直徑2 mm的銅制針狀高壓電極，針狀電極頭部距離石英玻璃管口15 mm。石英玻璃管外側(cè)纏繞有15 mm寬的銅箔作為地電極，地電極前端距離石英玻璃管口10 mm。

等離子體射流圖像采高清相機(Nikon, D300, CMOS sensor)拍攝得到，相機曝光時間2 s，以射流噴頭直徑為標尺獲得射流長度。放電電壓由高壓探頭(Tektronix P6015A，衰減比1000∶1)測量得到，通過測量無感電阻(30 Ω)兩端電壓，計算得到放電電流。放電功率則通過測量放電電壓和串聯(lián)在回路中的電容兩端電壓所形成，利用李薩育圖形得到。等離子體射流的溫度和光譜特性由光纖溫度傳感器(opSens)和兩光柵光譜儀(Princeton Instruments，Acton-SP2500)發(fā)射光譜進行診斷。光纖探頭垂直插入等離子體火焰中，距離射流噴頭0.5 cm，光譜儀探頭與射流裝置玻璃管垂直放置，與玻璃管口軸向距離為1 cm，與玻璃管中心軸線徑向距離為1.5 cm。

圖1 氦氧等離子體實驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment setup

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 射流圖像

實驗中氦氧混合氣體流量為6 L/min，其中氧氣體積分數(shù)分別設(shè)定為0，0.75%，1.5%，2.25%，3%，分析U=8 kV，11 kV，14 kV(峰峰值)時的等離子體射流圖像，并測量射流長度，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 氦氧等離子體射流Fig.2 Plasma jet images and the length of plasma jet

由圖2可知，氧氣含量較低時，等離子體射流發(fā)光明顯，根部呈現(xiàn)亮白色，向頭部發(fā)展過程中逐漸變?yōu)樗{白色。隨著氧氣含量的增大，射流亮度迅速降低，顏色也由明亮的藍白色逐漸向較暗的淡紫色轉(zhuǎn)變。由于氧氣呈現(xiàn)電負性，會吸附空間中的電子，減少電子碰撞過程，阻礙放電的發(fā)展，由各活性粒子及其躍遷過程所導致的電磁輻射在總體上減弱，導致放光強度減弱。隨著氧氣含量的增大，射流長度近似呈線性減小，且電壓越高，減小的速度越慢。分析可知，氧氣含量增大后，放電受到抑制，產(chǎn)生的活性粒子數(shù)目在總體上減少，活性粒子隨工作氣體噴出管口后，在較短的距離內(nèi)就消失了，使得等離子體射流的長度變短。電壓的提高促使放電劇烈的發(fā)生，氧氣對放電的抑制作用被抵消，且電壓越高，這種抵消作用越明顯，氧氣含量的變化在放電過程中起到的影響越來越小。

2.2 電學特性

不同氧氣含量下的放電起始電壓如表1所示。

該電壓以放電電流中出現(xiàn)明顯尖刺時的電壓為準。由表可知，隨著氣體中氧氣含量的增大放電起始電壓不斷增大，體現(xiàn)了氧氣對放電的抑制作用。由于電負性的氧氣會吸附空間中的電子，導致電子碰撞過程減弱，削弱Townsend過程，使得放電起始電壓增大。

表1 放電起始電壓

等離子體射流放電電流較為復雜。不同氧氣含量下的放電電流波形如圖3所示(U=5 kV)。

圖3 氧氣含量對放電電流影響Fig.3 Effect of oxygen content on the discharge current

圖4 電流正半周期初期電荷積累現(xiàn)象Fig.4 Charge accumulation at the beginning of the positive half cycle of the current

隨著氧氣含量的增大，放電電流的脈寬逐漸變小，由較為平緩的連綿波形逐漸變?yōu)槊芗募夥宀ㄐ?。表明射流裝置中針電極與地電極之間的放電通道持續(xù)時間隨著氧氣含量的增大而逐漸減小。因為氧氣具有電負性，能夠吸附空間電子，導致放電通道在短時間內(nèi)消失，形成窄脈寬的尖峰電流。

與此對應，放電電流隨氧氣含量增大略微增大。由圖5可知，通入氧氣后放電功率P基本不變，放電過程中流過的電荷量q也基本不變。由前文可知，由于氧氣對放電的抑制作用，放電尖峰電流的持續(xù)時間隨氧氣含量的增大而減小。后者的作用效果使電荷傳導的時間變短，導致放電電流增大。

在電流正半周期初期具有多個明顯電流尖峰，其幅值通常大于電流負半周期的最大值，表明這一階段其放電過程得到了增強。在電流負半周期過程中，空間中電子向地電極移動，正離子向高壓電極移動。在負半周期結(jié)束正半周期開始時，阻擋介質(zhì)石英玻璃上積聚了一定量的負電荷，這些負電荷與外加電場疊加，加強了空間電場，如圖4所示。由于這些電荷需要在放電中釋放掉，增大了放電的電荷量，使得正半周期初始放電增強，放電電流較大。此后進入正常放電階段。在正半周期放電過程中，與負半周期相反，空間中正離子向地電極移動，電子向高壓電極移動。由于離子的移動速度慢于電子，因此阻擋介質(zhì)上積累的正電荷較少，所以在下一個負半周期開始階段沒有明顯的放電增強現(xiàn)象。

基于李薩育圖形，獲得到不同電壓與氧氣含量下的等離子體射流放電功率，如圖5所示。

圖5 放電功率Fig.5 Discharge power

由上圖可知，等離子體射流的放電功率較小，為瓦級。電壓對放電功率影響較大，氧氣含量對放電功率影響相對較小。這是由于隨著氧氣含量的增大，放電電流中尖峰電流的幅值和放電頻率均增大，但單次放電時間在縮短(圖3)，導致放電功率變化較小。

2.3 光譜特性

本文利用光纖傳感器和光柵光譜儀得到了等離子體射流光譜特性，如圖6所示。

氦氧等離子體射流光譜中存在7條明顯的譜線，分別為777.3 nm和844.6 nm(O)，337.3 nm和357.6 nm，674 nm(N2)，667.8 nm和706.4 nm(He)。上述譜線的強度隨氧氣變化的規(guī)律如圖7所示。

由圖7可知，隨著氧氣含量的增大，N2和He譜線強度明顯下降，除He波長為706.4 nm譜線外，其余譜線在氧氣含量為2.25%時已經(jīng)完全和背景噪聲混雜在一起難以分辨。這表明隨著氧氣含量的增大，空間中的碰撞過程減弱，發(fā)生躍遷反應的激發(fā)態(tài)N2，He粒子數(shù)目減小，所以光譜強度減弱。

對于O波長為777.3和844.6 nm的譜線，當氧氣含量增大時，光譜強度先上升，后下降。當氧氣含量為零時，此時只有外部環(huán)境中的氧氣參與放電過程，隨著氧氣的加入，工作氣體中的氧氣和環(huán)境氣體中的氧氣同時參與放電過程，空間中由于氧含量的增加使得O發(fā)射光譜增強。當氧氣含量進一步增大時，由于氧氣吸附空間中的電子，碰撞過程減弱，所以O(shè)的光譜強度下降。

圖6 氦氧等離子體射流光譜圖Fig.6 Spectrum of helium oxygen plasma jet

圖7 氧氣含量對光譜強度影響Fig.7 Effect of oxygen content on the spectrum

3 結(jié) 論

(1)氧氣含量的增加使得氦氧等離子體射流長度減小，發(fā)光亮度降低。氧氣含量同時對于放電電流有較大影響，隨著氧氣的增多，放電頻率、尖峰電流、起始電壓會明顯增大。

(2)由于氧氣呈現(xiàn)電負性，會吸附空間中的自由電子，導致放電受到抑制，使得等離子體射流參數(shù)發(fā)生較大改變。隨著氧氣含量的增大，N和He的光譜強度隨之減小，而O的光譜強度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

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Effect of Oxygen Content on Characteristics of Helium Oxygen Plasma Jet

HUANG Qing1, WEI Xu1, XU Jiangang1, ZHOU Zhicheng2
(1. Jiangsu Electric Power Company of State Grid, Nanjing 211100, China； 2. Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China)

With low cost and temperature, plasma jets, as a typical atmospheric pressure plasma, have found extensive industrial applications. In this paper, a series of experiments have been performed to investigate the influences of oxygen content on the characteristics of helium oxygen plasma jet. The plasma jet experimental system is built by using the alternating current power supply with high voltage and frequency and adjusting the ratios of helium and oxygen by PC control system. The discharging image, plasma jet length and inception voltage are then acquired by a high-speed imaging system. The experimental results indicate that the presence of oxygen can restrain the discharging, and then, it will affect the characteristics of plasma jet significantly. As a result, the luminance and length of plasma jet are remarkably reduced. Meanwhile, the inception voltage, the discharging frequency and the peak of current get increased. The power of the plasmas jet, however, has a minor variation only. Moreover, as the increase of oxygen content, the spectrum intensity of He and N declines, while the spectrum intensity of O increases firstly and then decreases.

plasma jet; helium oxygen plasma; oxygen content; inception voltage; plasma jet length

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.09

2016-09-29.

TM89

A

1007-2691(2017)04-0057-05

黃清(1968-)，男，高級工程師，研究方向為高電壓絕緣技術(shù)及工程管理；周志成(1977-)男，教授級高工，研究方向為高電壓絕緣技術(shù)。