大氣壓脈沖微波鋅等離子體射流的參數診斷

等離子體被稱為物質的第四態(tài)，具有許多與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)不同的性質，這些性質往往可以巨大的應用前景，在低溫等離子體領域，有材料表面處理改性、醫(yī)學等，本文使用大氣壓微波發(fā)卡諧振放電產生鋅等離子于氬等離子混合射流，微波角頻率為2.45 GHz。在輸入功率大于145W時出現(xiàn)了鋅等離子體與氬等離子體雙射流，在輸入功率為160W時出現(xiàn)了鋅等離子體與氬等離子體完全混合射流。另外，我們使用發(fā)射光譜儀avantes 2048L對等離子體參數進行診斷，發(fā)現(xiàn)隨著輸入功率的增加，電子溫度和電子密度逐漸增加，光譜強度卻相應減小。

一、引言

對于大氣壓下的等離子體射流的參數測定，之前已經有不少人展開過研究，一般而言對于惰性氣體如氬氣的等離子體，我們產生的方式主要有以下幾種，如微波放電[1]，介質阻擋放電（DBD）[2]，直流放電[3]，射頻放電[4]，脈沖放電[5]。對于金屬等離子體，大部分人采用的是激光誘導的方法[6][8-9]，本文在大氣壓情況下使用脈沖微波方法產生了鋅等離子體等離子體，生成鋅等離子體的微波輸入功率至少為145W，鋅等離子體電子密度至少在1015cm-3，并且我們對輸入功率150W、155W和160W三種功率下的電子溫度和電子密度進行測定。本文的剩下部分安排如下：實驗裝置與操作在第二部分，結果和討論在第三部分，結論在第四部分。

二、實驗裝置與操作

A.實驗裝置介紹

本文使用的實驗裝置主要可以分為四個部分。第一部分為微波源和脈沖調制器。微波源用于產生脈沖微波信號，其輸出功率范圍為0-160W。脈沖調制器可以輸出5v的脈沖方波，可以用于調節(jié)微波信號，另外它可以作為同步觸發(fā)信號用于觸發(fā)ICCD（像增強電荷耦合傳感器）。微波信號頻率范圍為10Hz-200kHz，可調占空比為0.01-0.99。第二部分為載氣系統(tǒng)，它用于提供惰性氣體氬氣。氬氣的純度為99.999%，流量由氣體閥門控制，可控范圍是0-10slm。第三部分為等離子體產生器，我們使用的是自制的四分之一波長（31mm）同軸傳輸線型諧振器，與一般的同軸線型諧振器不同的是，一：它的一端為閉合，一端為開口，開口直徑為1.5cm。二：它采用直接耦合（或者稱為電耦合）而非天線耦合（或者稱為磁耦合）的方式。采取這樣的設計可以更好的耦合能量以產生更長的等離子體射流。因為我們使用的是2.45GHz的微波頻率，所以相應的，在大氣壓下空氣中的微波波長為124mm，可知四分之一波長為31mm，因此諧振器的長度為31mm。諧振器通過薩碼頭與微波源連接。內置于諧振器的石英管長度為300mm，石英管的內徑和外徑分別為4mm和6mm。放置于石英管內部的發(fā)卡為鍍鋅鐵絲發(fā)卡，呈對稱的U型，總長度為62mm，其發(fā)卡的尖端置于諧振器開口電壓最大處會產生局部增強電場，便于電離氣體產生鋅等離子體射流。第四部分為等離子體測量儀器。本文使用Canon EOS 60D對等離子的形貌進行拍攝。另外，本文使用發(fā)射光譜法對鋅等離子體進行診斷，測定了它的電子數密度和電子溫度。光譜儀的型號是avantes 2048L，其測量波長范圍為200-1100nm，分辨率為0.06-20nm，雜散光為0.04-0.1%，信噪比達到了300：1。

B.實驗操作

我們打開脈沖調制器，設定占空比0.8，脈沖頻率為10kHz，最后打開氣體閥門，調節(jié)流量至1.0slm。Canon EOS 60D相機用于對射流進行拍照，曝光時間選取0.001s。首先，我們選擇微波源輸出功率為115W、140W、145W三種。當輸出功率為115W時會產生雙絲射流，一長一短，長射流長度為120mm，短射流長度為50mm。微波源輸出功率為140W會出現(xiàn)三絲射流，兩短一長，較長射流的長度為100mm，兩條短射流的長度為50mm。微波源輸出功率為145W時，射流變?yōu)闅宓入x子體與鋅等離子體混合射流：對于氬等離子體射流，一長一短射流合成一條位置處于石英管中間的長射流，合流點前面的兩條短射流長度為30mm，中間位置的長射流的長度為120mm，總長度為160mm。輸入功率為115W、140W、145W射流圖如圖2所示：

接著，我們選取微波源輸出功率為150W、155W、160W。當輸出功率為150W時，氬等離子體射流的合流點位置向諧振腔表面收縮，兩短射流長度為20mm，中間位置射流長度為130mm，總的長度為150mm。鋅等離子體射流的平均徑向長度加大，從諧振腔表面到射流尾部，徑向長度逐漸減小，但在射流尾部一小段區(qū)域，如圖3（a）所示，此處的鋅等離子體濃度卻相對較大。當輸出功率為155W時，氬等離子體中間位置的射流長度變?yōu)?40mm，兩短射流長度為20mm不變，總的射流長度為160mm。鋅等離子體射流濃度明顯變大，與氬等離子體射流不同，它的空間分布是在整個石英管內。當輸入功率為160W時，總的混合射流長度變?yōu)?70mm，并且我們在混合射流內部觀察不到氬等離子體射流，好像此時氬等離子體射流與鋅等離子體射流融合了。輸出功率為150W、155W、160W射流圖如圖3所示：

B.鋅等離子體參數診斷

對于等離子體的溫度和密度，有很多測量方法，如朗繆爾探針法，湯姆遜散射，微波干涉法，瑞利微波散射法和發(fā)射光譜法[7]。本論文采用的是發(fā)射光譜法，對于發(fā)射光譜法，為了研究等離子體射流的參數，我們使用avantes 2048L光譜儀對混合模式下的等離子體射流的參數進行測量，分別在不同的射流模式下的進行光譜數據采集，采集的位置為距諧振腔5cm處，它們的光譜圖如圖4所示。

根據以上的光譜測量的數據，可以使用譜線的相對強度法計算等離子體的電子溫度 ，它的計算公式[8-10]為

這個式子里面，下標1，2表示對于同一元素的兩個不同的譜線，字母表示譜線的強度，字母表示統(tǒng)計權重，字母表示波長，字母表示轉換概率，字母表示激發(fā)態(tài)能量，是玻爾茲曼常數，具體參數如表1所示。另外公式（1）的使用需要在局部熱力學平衡條件下使用，為了檢驗是否符合局部熱力學平衡條件，我們在這里使用McWhirter判據：

式（2）中的是兩條譜線的能級差，是等離子體電子溫度，是我們接下來要求的量。

我們選擇=334.5nm和=481.0nm兩條譜線來計算出等離子體的電子溫度。在弱混合模式下，有=4446K。強混合模式下，有=5235K。全混合模式下，有=5981K。

對于等離子體電子密度可以使用stark展寬法，它們具體關系見公式（3）[11-12]：

式（3）前面一項是電子展寬的貢獻，后一項是離子展寬的貢獻，對于stark展寬而言，離子展寬的貢獻遠遠小于電子展寬的貢獻，因此可以將式（3）改寫為式（4）：

式（4）中的為等離子體電子數密度，是stark展寬曲線的半高寬，它可以通過洛倫茲函數擬合法得到，這里我們選取了481.0nm譜線進行洛倫茲函數擬合，通過查閱文獻，有=0.125[13]。

如圖5所示，在輸入功率150W有=0.1581nm，相應的=6.3240×1015cm-3。在輸入功率155W時有=0.16005nm，相應的=6.4020×1015cm-3。在輸入功率160W時有=0.52151nm，相應的=2.0860×1016cm-3。

現(xiàn)在來驗證局部熱力學平衡條件，當取溫度最大值時=5981K，的數量級為1014cm-3，在三種輸入功率下的數量級都大于1014cm-3，因此符合局部熱力學平衡條件。

三.結果和討論

在有鍍鋅發(fā)卡時的諧振腔的電場強度比無鍍鋅發(fā)卡時要明顯加大，加上四分之一諧振腔的表面開口處電場場強最大，因此在諧振腔開口處石英管內放置發(fā)卡存在時更容易產生等離子體射流。在占空比為0.8，輸入功率為115W時出現(xiàn)了氬氣等離子體雙絲射流，隨著輸入功率加大到120W，出現(xiàn)了氬氣等離子體三絲射流，接著隨著功率加大，氬氣射流的溫度達到鋅的氣化溫度1179.150K，在鍍鋅鐵絲發(fā)卡表面的固體狀態(tài)的鋅變?yōu)闅怏w，氣體狀態(tài)的鋅與氬氣一起從諧振腔噴出石英管，而石英管管壁溫度較低，部分氣化的鋅會固化附在石英管管壁，而且離諧振腔表面越遠，附著的固體態(tài)鋅越多。這時石英管內存在氬氣和氣體狀態(tài)的鋅兩種混合氣體，對于氬氣等離子體射流，存在大量的亞穩(wěn)態(tài)亞原子與電子碰撞發(fā)出光子，如圖3所示。亞穩(wěn)態(tài)氬原子的勢能是11.5eV，鋅原子的電離能是9.394eV，且鋅元素的原子數大于氬元素的原子數，這時可能有彭寧效應的存在，這樣混合氣體的著火電壓要低于兩者的著火電壓，當功率達到145W時，氣態(tài)鋅被電離生成鋅等離子體，根據前面光譜測量我們知道此時射流的溫度為4446K，附著在石英管管壁的固體態(tài)鋅又被氣化形成氣體鋅并且電離生成鋅等離子體，原先在射流尾部區(qū)域的附著固態(tài)鋅 相對較多，因此在射流尾部的鋅等離子體濃度相對較大，如圖2-3所示。

根據前面的數據我們知道，在功率為160W時，電子溫度和電子密度都是三者之中最大的，這說明隨著微波輸入功率的增大，電子溫度和電子密度會逐漸增加，由圖3可知，氬等離子體已經完全與鋅等離子體混合在一起，顏色變成淡藍色與白色的混合色，而且從圖3我們可以知道，隨著功率從150W增大到160W，譜線的發(fā)射強度卻在逐漸降低，這說明處于激發(fā)態(tài)的原子數逐漸減少，進而表明隨著功率的增加，基態(tài)原子或激發(fā)態(tài)原子被電離形成離子和電子。對于輸入功率150W和155W時的發(fā)射譜線，我們只能觀察到鋅原子的譜線，這從圖2與圖3不難得知，氬等離子體發(fā)出的光被包裹在它外面的鋅等離子體射流吸收了，在輸入功率160W時，我們同時觀察到鋅原子和激發(fā)態(tài)氬原子的譜線，說明氬等離子不在以等離子體子彈形式傳播，它與鋅等離子像溶液一樣混合在一起充滿著石英管空間。

四.結論

我們使用的同軸發(fā)卡微波諧振放電實現(xiàn)鋅等離子體射流。實驗結果發(fā)現(xiàn)，在115W時會出現(xiàn)雙絲射流，在140W時會出現(xiàn)三絲射流，在功率高于145W時出現(xiàn)鋅與氬混合射流，之后我們加大功率分別至150W、155W和160W對三種情況下的等離子體參數進行診斷，發(fā)現(xiàn)隨著功率的增加，相應功率下的電子溫度和電子密度逐漸增加，發(fā)射光譜強度卻相應減小。

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作者簡介：涂一烺 性別：男，安徽省潛山市，1994年出生，學歷：安徽工業(yè)大學電氣工程專業(yè)型碩士? 職稱：安徽工業(yè)大學電氣學院碩士生 研究方向：大氣壓氣體放電， 詳細通訊地址：安徽省潛山市北河村54號