大氣壓脈沖放電輔助射頻輝光放電段起輝過(guò)程

申亞軍，郭 穎，韓乾翰，王曉東，石建軍

(東華大學(xué) 理學(xué)院，上海 201620)

大氣壓輝光放電產(chǎn)生的低溫等離子體可應(yīng)用于功能薄膜材料的表面改性和沉積以及生物醫(yī)學(xué)處理等[1-3]，并且其發(fā)生裝置不需要真空系統(tǒng)，適合連續(xù)化處理，因此，近年來(lái)大氣壓輝光放電的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究成為低溫等離子體方向的研究熱點(diǎn)之一[4]。在大氣壓的射頻輝光放電中利用振蕩射頻電場(chǎng)對(duì)放電空間電子的限制作用，在較低的射頻電壓下形成密度較高的等離子體[5-6]，但由于放電功率和氣體溫度也較高，容易導(dǎo)致放電的不穩(wěn)定，并也限制了其在溫度敏感材料處理中的應(yīng)用[7]。 采用脈沖調(diào)制射頻放電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在時(shí)間上控制射頻放電段的打開(kāi)和關(guān)閉，可以有效調(diào)控放電穩(wěn)定性和等離子體特性，但每個(gè)射頻放電段都將經(jīng)歷起輝過(guò)程[8]，其對(duì)射頻放電段的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和產(chǎn)生的等離子體特性都具有重要影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，射頻放電段的起輝過(guò)程會(huì)受到上一個(gè)射頻放電段中的殘余等離子體粒子的輔助作用[9]，表現(xiàn)為射頻放電段在更短的起輝時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定放電狀態(tài)，而減小兩個(gè)相鄰射頻放電段的時(shí)間間隔，即增加調(diào)制射頻脈沖的重復(fù)頻率或者占空比都會(huì)限制對(duì)放電穩(wěn)定性和等離子體特性的調(diào)控范圍，因此在兩個(gè)相鄰射頻放電段間增加高壓脈沖放電，利用其產(chǎn)生的等離子體實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻放電段起輝過(guò)程的輔助作用[9]。本文通過(guò)試驗(yàn)研究了脈沖放電強(qiáng)度對(duì)射頻放電段起輝過(guò)程的影響。

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)中放電發(fā)生在一個(gè)密封的腔體中，通入純度和流量分別為99.999%和2 L/min的氦氣作為工作氣體。放電電極為兩個(gè)相同的不銹鋼圓形平行板，直徑均為20 mm，兩個(gè)電極都覆蓋厚度和相對(duì)介電常數(shù)分別為1 mm和9.0的氧化鋁陶瓷片，放電間隙保持在2.5 mm。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。通過(guò)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器(Tektronix AFG 3102型)產(chǎn)生頻率為5 kHz和占空比為50%為調(diào)制脈沖信號(hào)，使用其調(diào)制頻率為11.7 MHz的射頻信號(hào)，再通過(guò)功率放大器(AR500A250B型)將調(diào)制的射頻信號(hào)放大功率，連接匹配器后加在其中一個(gè)電極上。另一激發(fā)信號(hào)為脈沖信號(hào)，其頻率為5 kHz，占空比為0.5%，通過(guò)調(diào)制脈沖信號(hào)觸發(fā)另一個(gè)相同的信號(hào)發(fā)生器(Tektronix AFG3102型)而產(chǎn)生，使用其來(lái)觸發(fā)脈沖開(kāi)關(guān)電源(DEI PVX-4110型)，其通過(guò)直流高壓電源(SPELLMAN SL1200型)提供直流電壓，其產(chǎn)生的高壓脈沖加在另外一個(gè)電極上。

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

試驗(yàn)過(guò)程中分別通過(guò)電壓探頭(Tektronix P6015A型)和電流探頭(Pearson 2877型)對(duì)放電電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)數(shù)字示波器(Tektronix DPO410型)進(jìn)行觀察和記錄。透過(guò)腔體上的石英玻璃對(duì)放電進(jìn)行光學(xué)診斷，放電的等離子圖像通過(guò)增強(qiáng)型CCD(Andori-Star DH734型)外觸發(fā)來(lái)捕捉采集，其觸發(fā)信號(hào)與脈沖信號(hào)同步，拍攝曝光時(shí)間為100 ns，并通過(guò)輔助軟件Andor SOLIS輔助拍攝和記錄放電圖像。

2 結(jié)果與討論

圖2為放電的電壓和電流波形圖。由圖2(a)可知，脈沖電壓的幅值和脈寬分別約為1 400 V和1 μs，在電壓脈沖的上升沿和下降沿階段，電流波形出現(xiàn)兩個(gè)電流峰，其峰值分別為0.59和0.63 A。這是由于在介質(zhì)阻擋脈沖放電中，介質(zhì)層表面空間電荷的積累效應(yīng)，在電壓脈沖的上升沿和下降沿階段都會(huì)產(chǎn)生一次放電[10]，兩次放電的時(shí)間分辨放電圖像強(qiáng)度和空間分布將在下文討論。由圖2(b)可知，兩個(gè)射頻放電段的時(shí)間間隔為100 μs。在兩個(gè)射頻放電段之間引入脈沖放電，脈沖放電的頻率與射頻調(diào)制頻率都為5 kHz，保證脈沖放電和射頻放電段同步，其分別在時(shí)刻為0和5 μs時(shí)觸發(fā)，即脈沖放電結(jié)束與其最近的射頻放電段開(kāi)始的時(shí)間間隔固定為4 μs，其中脈沖放電電壓和電流波形如圖2(a)所示。當(dāng)射頻放電達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，其電壓和電流的峰值分別為550 V和0.14 A。

(a) 脈沖放電

(b) 射頻放電段圖2 放電電壓和電流波形圖Fig.2 Voltage and current waveforms of discharges

試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量等離子體放電圖像的時(shí)間演化過(guò)程，進(jìn)一步通過(guò)分別分析放電圖像強(qiáng)度和放電時(shí)空分布研究放電動(dòng)力學(xué)過(guò)程。為了更清晰表征放電空間分布，分別對(duì)每個(gè)時(shí)刻的放電空間分布曲線進(jìn)行歸一化處理，即將每個(gè)時(shí)刻等離子體圖像強(qiáng)度沿電極方向累加以后獲得放電在電極間的空間分布曲線，其中用最大值表征放電圖像強(qiáng)度并以此對(duì)放電空間分布曲線做歸一化處理。放電圖像強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示。由圖3(a)可知，脈沖放電圖像強(qiáng)度出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰，分別對(duì)應(yīng)于圖2(a)中發(fā)生在脈沖電壓上升沿和下降沿階段的兩個(gè)放電電流峰，其中，第一個(gè)放電圖像強(qiáng)度峰的時(shí)刻和峰值分別為0.3 μs和680， 第二個(gè)放電圖像強(qiáng)度峰的時(shí)刻和峰值分別為1.4 μs和874。第二個(gè)峰的強(qiáng)度高于第一個(gè)峰，這也與圖2(a)中的放電電流峰的關(guān)系一致，說(shuō)明脈沖放電中第二次放電強(qiáng)度要高于第一次放電強(qiáng)度，這主要是由第一次放電中殘余的等離子體活性粒子對(duì)第二次放電的輔助效果導(dǎo)致的[8-9]，這也將在放電時(shí)空分布結(jié)果中做進(jìn)一步驗(yàn)證。圖3(b)為在大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電中引入脈沖放電后射頻放電段的放電圖像強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，射頻放電段從5 μs開(kāi)始，與圖2(b)中時(shí)間對(duì)應(yīng)，放電圖像強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)，其在6 μs時(shí)達(dá)到最大值62，然后隨時(shí)間增加時(shí)放電圖像強(qiáng)度有一定的下降并穩(wěn)定在47左右。另外需要指出的是射頻放電圖像強(qiáng)度要比脈沖放電圖像強(qiáng)度峰值低一個(gè)量級(jí)以上，這也與圖2中的射頻電流峰值與脈沖放電電流峰值關(guān)系一致。

(a) 脈沖放電

(b) 射頻放電段圖3 放電圖像強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the image intensity of discharge and time

脈沖放電的空間分布隨時(shí)間演變?nèi)鐖D4所示。在時(shí)間延時(shí)為0.2 μs時(shí)，開(kāi)始施加正向脈沖電壓，如圖2(a)所示，在位置為0 mm處的極板表面開(kāi)始形成第一次放電，接著在0.2～0.3 μs時(shí)刻之間，脈沖電壓達(dá)到峰值，放電迅速向2.5 mm處的極板移動(dòng)，對(duì)應(yīng)于陰極表面上形成了持續(xù)時(shí)長(zhǎng)大約為0.6 μs的鞘層結(jié)構(gòu)分布[11]，直至1 μs時(shí)刻以后放電逐漸湮滅。在時(shí)刻為1.1 μs時(shí)，脈沖電壓處于下降沿階段，在1.2～1.3 μs時(shí)刻之間，第二次放電在放電空間中間位置產(chǎn)生并向位置為0 mm處極板移動(dòng)。這是由于受到第一次放電中殘留的等離子體活性粒子的影響，第二次放電在陰極表面形成了從時(shí)刻1.4～1.8 μs的鞘層結(jié)構(gòu)分布[11]。在第二次放電的湮滅過(guò)程中，由于不再受到脈沖電壓的作用，放電逐步從陰極表面向放電空間擴(kuò)散，如圖4中放電空間分布從時(shí)刻1.4～1.8 μs的演變過(guò)程所示。

圖4 大氣壓脈沖輝光放電的時(shí)空演變Fig.4 Spatial-temporal evolution of atmospheric pulsed glow discharge

大氣壓射頻輝光放電段的放電空間分布隨時(shí)間演變?nèi)鐖D5所示。對(duì)應(yīng)于圖3中射頻放電在5.2 μs時(shí)刻放電圖像強(qiáng)度開(kāi)始增長(zhǎng)，放電空間分布說(shuō)明射頻放電首先在兩極板表面形成，如圖5(a)所示，這與沒(méi)有脈沖放電的輔助不同，其放電首先在放電空間的中間位置形成[12]，這是由脈沖放電中殘余的等離子體活性粒子所導(dǎo)致的[9]。如圖4所示，脈沖放電中第二次放電湮滅過(guò)程中放電逐漸擴(kuò)散至放電空間，這些殘余的等離子體活性粒子在震蕩射頻電場(chǎng)的作用下又向兩個(gè)極板表面聚集，因此分別在兩個(gè)極板表面形成鞘層結(jié)構(gòu)[8]，放電空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為雙峰形分布[11]。另一方面，由于在射頻放電段的起輝階段，放電經(jīng)歷逐步增強(qiáng)過(guò)程，如圖3所示，當(dāng)射頻放電中的電離過(guò)程不足于補(bǔ)償放電中等離子體活性粒子的湮滅過(guò)程，因此在5.2～5.4 μs時(shí)刻之間，在兩個(gè)極板表面的鞘層結(jié)構(gòu)有減弱的趨勢(shì)，隨著射頻放電段起輝過(guò)程的增強(qiáng)，在5.4～5.6 μs時(shí)刻之間，在兩個(gè)極板表面的鞘層結(jié)構(gòu)又開(kāi)始增強(qiáng)，但是由于脈沖放電中殘余的等離子體活性粒子的作用隨時(shí)間

(a) 脈沖放電電流峰值為0.6 A

(b) 脈沖放電電流峰值為0.4 A圖5 大氣壓射頻輝光放電段的時(shí)空演化Fig.5 Spatial-temporal evolution of atmospheric radio frequency glow discharges

減弱，射頻放電反而向放電空間擴(kuò)散，因此在5.6～5.7 μs時(shí)刻之間，射頻放電形成了放電集中在放電空間的鐘形分布[13]，而隨著射頻放電的進(jìn)一步增強(qiáng)，在5. 8μs時(shí)刻以后，放電空間分布又回復(fù)到雙峰形分布[11]，說(shuō)明射頻放電起輝過(guò)程結(jié)束并達(dá)到穩(wěn)定放電狀態(tài)。試驗(yàn)中在保持其他放電參數(shù)不變的條件下，將脈沖放電電流峰值降低為0.4 A，此時(shí)射頻放電段的放電空間分布隨時(shí)間變化如圖5(b)所示，在5.2 μs時(shí)刻以后射頻放電開(kāi)始起輝，放電首先形成鐘形空間分布。這是由于隨著脈沖放電強(qiáng)度的減弱，在射頻放電開(kāi)始起輝時(shí)，脈沖放電中殘余的等離子體活性粒子已基本湮滅，其對(duì)射頻放電起輝過(guò)程的輔助效應(yīng)減弱[9]。放電鐘形空間分布一直會(huì)延續(xù)到6.0 μs，即射頻放電起輝階段結(jié)束，之后放電空間分布也演變?yōu)榉€(wěn)態(tài)射頻放電條件下的雙峰形分布[11]。另外需要指出的是圖5(a)和5(b)對(duì)應(yīng)的射頻放電起輝時(shí)間分別約為0.5～0.8 μs，這也說(shuō)明脈沖放電中殘余的等離子體活性粒子對(duì)射頻放電起輝存在輔助效果[9]。

大氣壓射頻放電段在穩(wěn)定放電狀態(tài)下的電流和電壓特性如圖6所示。由圖6可知，射頻放電峰值電流隨著峰值電壓的增加而單調(diào)遞增。在射頻放電段中不引入脈沖放電情況下，隨著射頻峰值電壓從590 V增加到810 V，射頻峰值電流從0.09 A增加到0.24 A; 而當(dāng)射頻放電段中分別引入電流峰值為0.4和0.6 A 的脈沖放電時(shí)，隨著射頻峰值電壓分別從590 V 增加到820和830 V，射頻峰值電流分別從0.1 A增加到0.29 A和從0.13 A增加到0.31 A。由此表明，引入的脈沖放電將有助于提高射頻放電段在相同射頻電壓下的放電強(qiáng)度，而且其增強(qiáng)效果隨著脈沖放電強(qiáng)度增加而更明顯。

圖6 不同脈沖放電強(qiáng)度下大氣壓射頻放電段的電流和電壓特性Fig.6 Current and voltage characteristics of atmospheric radio frequency discharge burst with different current amplitudes of pulsed discharge

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電的兩個(gè)射頻放電段之間引入脈沖放電，射頻放電段的起輝過(guò)程和穩(wěn)定放電狀態(tài)都受到脈沖放電的影響。放電時(shí)空演變過(guò)程表征了脈沖放電結(jié)束后等離子體活性粒子將從陰極表面擴(kuò)散至放電空間，其將輔助射頻放電段的起輝過(guò)程，在相同射頻電壓下獲得更短的射頻放電起輝時(shí)間以及更高穩(wěn)態(tài)放電電流，而且在脈沖放電電流峰值為0.6 A時(shí)，射頻放電段的起輝過(guò)程經(jīng)歷放電空間分布從雙峰形分布演變到鐘形分布再到穩(wěn)態(tài)雙峰形分布的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。