強電離放電和電暈放電兩種情況下電場強度對離子濃度的影響分析

周建綱，胡楓

（1. 大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622；2. 南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引言

目前大氣壓非平衡等離子體已在化工工業(yè)領(lǐng)域有所應(yīng)用[1-2]，其中形成規(guī)模的是臭氧商業(yè)生產(chǎn)[3]，在其它工業(yè)領(lǐng)域上也有很多重要應(yīng)用，包括材料表面改性、靜電除塵器、靜電復(fù)印、靜電噴涂、靜電植絨及靜電選別等。由于現(xiàn)有工業(yè)上常用的等離子體源多采用的是直流電暈放電、脈沖電暈及一般的介質(zhì)阻擋放電，源內(nèi)等離子體濃度低，因而制約了其被更加廣泛地應(yīng)用。理想效果的強電離放電大氣壓非平衡等離子體源，則是一個集高的效率和高的非平衡度于一體的放電裝置。研究成果表明，強電離放電大氣壓非平衡等離子體源輸出的等離子體濃度已達到1010/cm3以上[4-5]，這接近了工業(yè)、國防軍事等領(lǐng)域?qū)Φ入x子體濃度的要求。本文將強電離放電和電暈放電兩種情況下電場強度對離子濃度的影響進行了對比分析。

1 實驗研究強電離放電的電場強度對離子濃度的影響

1.1 實驗流程示意圖

圖1 實驗流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental flow

1.2 實驗所用主要儀器

實驗所用主要儀器如圖2、圖3所示，包括空氣壓縮機、過濾器、空氣流量控制閥、流量計、氣體均速器；壓力表、 高頻高壓電源、大氣壓非平衡等離子體源、電參數(shù)檢測系統(tǒng)、離子濃度檢測儀等。自制的大氣壓非平衡等離子體源，管長有24.0 cm和21.3 cm兩種，外徑為3.85 cm；放電間隙（高）有1.00 mm和0.64 mm兩種，放電間隙的寬度在5～6 mm之間不等，長度30 mm。

圖2 實驗設(shè)備照片（a）Fig.2 The experimental equipment photo

圖3 實驗設(shè)備照片（b）Fig. 3 The experimental equipment photo

1.3 離子濃度與電場強度的關(guān)系

本文中離子濃度是指（順氣流方向）距大氣壓非平衡等離子體源10 cm處的離子濃度。折合場強是放電電極與介質(zhì)阻擋陶瓷（Al2O3）片之間放電間隙中的折合場強，即放電間隙流動空氣的電場強度與空氣分子數(shù)密度的比值。用Q表可以測量到放電極與接地極之間的外加交流激勵電壓Uext，外加激勵電場強度

其中ds和dg分別為電介質(zhì)層的厚度和氣體放電間隙的厚度；εr為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)；氣體的相對介電常數(shù)近似地取作1。進而可得到折合場強Ered。

其中n0空氣被電離前氣體分子的平均數(shù)密度。本實驗所用的介質(zhì)阻擋層厚度和放電間隙均為0.64 mm，高電壓發(fā)生器輸出激勵電壓的頻率為10 kHz。

實驗結(jié)果見表1及圖4。

表1 折合場強對離子濃度影響實驗數(shù)據(jù)Table 1 The experimental data of the reduced field intensity influence on ionic concentration（108/cm3）

圖4 折合場強對離子濃度影響實驗結(jié)果Fig. 4 The experimental result of the reduced field intensity influence on ionic concentration

1.4 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果顯示，當空氣流量一定時，離子濃度隨著折合場強增大而增大；隨著空氣流量的增大，這種關(guān)系依舊保持著，只不過它們的關(guān)系曲線在圖中的位置向上移了，這說明對應(yīng)于同一個折合電場強度，離子濃度隨著空氣流量的增大而增大。這可解釋為在其它條件都不變的情況下，空氣流量的增加意味著空氣分子平均動量Pa的增加，即離子平均動量在空氣流速方向分量PV的增加。結(jié)論是當空氣流量為某一定值時，在不發(fā)生阻擋介質(zhì)（陶瓷Al2O3片）被擊穿的前提下，輸出的離子濃度隨著電場強度的增大而增大。

2 實驗研究電暈放電的電場強度對離子濃度的影響

2.1 實驗流程及所用主要儀器

實驗流程見圖1。實驗所用儀器除大氣壓非平衡等離子體源外，與2.2實驗所用儀器相同。本實驗電暈放電大氣壓非平衡等離子體源是由4個金屬材質(zhì)結(jié)構(gòu)相同氣體通道上下疊放組成，每個氣體通道長度為10 cm ，寬度為17 cm，高度為1.5 cm。每個氣體通道內(nèi)均為板線形式組成的電暈放電結(jié)構(gòu)，每個氣體通道內(nèi)都有6 根電暈線等間距平行放置，線的直徑為0.1 mm，異極距（板線間距）為0.75 cm ，相鄰兩板間距為1.5 cm。

2.2 離子濃度與電場強度的關(guān)系

試驗是在0.1016 MPa 氣壓下進行的，高電壓直流電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為0～26 kV。由于我們對電暈放電大氣壓非平衡等離子體源研究較早，本文沿用了“離子輸運項”一詞來表示大氣壓非平衡等離子體源輸出等離子體濃度。離子輸運項是指單位長度上輸出的離子平均濃度與氣體流速乘積的增量。實驗結(jié)果見表2及圖5。

表2 折合場強對離子輸運項影響實驗數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of the reduced field intensity influence on ionic transportation term（1010/cm3·s）

圖5 折合場強對離子輸運項影響實驗結(jié)果Fig. 5 The experimental result of the reduced field intensity influence on ionic transportation term

2.3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果顯示，外加激勵折合電場強度對離子輸運項的影響度隨氣體流速的增大而發(fā)生著變化。從圖5中氣體流速為5 m/s和10 m/s的曲線能夠看出，當氣體流速較小時，離子輸運項隨著折合電場強度Ered的增長比較平穩(wěn)，平均增長率較小。而從氣體流速為25 m/s的曲線能明顯看出，當氣體流速較大時，外加激勵折合電場強度Ered對離子輸運項影響在不同區(qū)域是不同的。Ered在15.0 Td～17.5 Td區(qū)間段,相應(yīng)離子輸運項平均增長率較?。籈red在17.5Td～22.5Td區(qū)間段,相應(yīng)離子輸運項平均增長率較大；Ered在25.0 Td ～40.0 Td區(qū)間段，相應(yīng)離子輸運項平均增長率較小。

3 結(jié)論

實驗研究表明：（1）強電離放電大氣壓非平衡等離子體源輸出的等離子體濃度要遠遠高于電暈放電大氣壓非平衡等離子體源電場強度輸出的等離子體濃度（可由離子輸運項換算得來）。（2）強電離放電離子濃度隨著折合場強增大而增大。（3）電暈放電時，當氣體流速較小時，離子輸運項隨著折合電場強度增大其增長率較小。而氣體流速較大時，電場強度對離子輸運項的影響度在不同區(qū)域是變化著的，電場強度在某個區(qū)域范圍會出現(xiàn)離子輸運項隨著折合電場強度增大其增長率較大的情形，其機理及在降低等離子輸出的能耗率方面是否有利用價值有待于進一步探究。