兩種不同主放電區(qū)長度的雙高壓等離子體射流源的研究

金 英，史冬梅

（渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

0 引言

近些年來，等離子體技術(shù)因其應(yīng)用面廣，且其自身環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，越來越被人們應(yīng)用在生產(chǎn)、生活、醫(yī)療、除污乃至國防，航空等高端領(lǐng)域［1?6］.為了滿足生產(chǎn)生活各方面的需要，學(xué)者們也在逐步改良優(yōu)化各種等離子體源［7?12］，相比于高溫等離子體射流裝置，大氣壓低溫等離子體射流裝置可以不依賴真空裝置，有利于大規(guī)模連續(xù)的流水線工業(yè)生產(chǎn)，而且設(shè)備可重復(fù)性強(qiáng)，適用于對(duì)環(huán)保要求很高的工業(yè)生產(chǎn).低溫等離子體射流在電場和氣流共同驅(qū)使下，促使管內(nèi)放電區(qū)域產(chǎn)生的等離子體從噴管或孔口中噴出，因此在實(shí)現(xiàn)放電區(qū)域與工作區(qū)域分離的同時(shí)，又保證了大部分活性物種和載能帶電粒子能夠輸運(yùn)到工作表面，基于上述特點(diǎn)，大氣壓低溫等離子體射流在產(chǎn)品表面加工、清洗、微創(chuàng)醫(yī)療等方面具有良好的實(shí)用性［13?15］.

研究表明，在大氣壓低溫等離子體射流工作過程中，射流等離子體中的活性粒子起到了主導(dǎo)作用，活性粒子濃度越高，工作效率越高，因此一般需要以活性氣體為工作氣體，以惰性氣體為載氣.本實(shí)驗(yàn)為了獲得具有更高活性粒子濃度的等離子體射流，以O(shè)2作為工作氣體，Ar作為載氣，為了保證在放電穩(wěn)定的情況下獲得盡可能高的O濃度，就必須盡可能提高O2在Ar中的混合比例，在此基礎(chǔ)上，盡可能使放電在高功率密度下運(yùn)行，產(chǎn)生比較高的放電等離子體密度.但當(dāng)O2在Ar中混合比例較高時(shí)，由于放電擊穿電壓過高就會(huì)形成弧光放電或者絲狀火花放電模式，所以當(dāng)放電強(qiáng)度過強(qiáng)時(shí)，放電又很容易產(chǎn)生熱不穩(wěn)定性而過渡到弧或絲狀火花放電模式［16?17］.如果采用預(yù)電離技術(shù)，既可以提高O2在Ar中混合比例，又可以充分降低放電擊穿電壓，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光放電模式，因此可以在保證放電穩(wěn)定的基礎(chǔ)上有效提高放電強(qiáng)度［18?19］，我們在這方面也做了大量研究工作［20］.本文主要研究采用大氣壓Ar氣放電低溫等離子體射流作為預(yù)電離源，可以為O2主放電提供種子電子與亞穩(wěn)態(tài)粒子，從而降低O2放電的擊穿與維持電壓，使O2放電能在低電壓下?lián)舸?，這樣就使得O2容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電模式.并在此基礎(chǔ)上，改變主放電區(qū)長度，探究放電區(qū)長度如何影響放電特性，優(yōu)化預(yù)電離等離子射流技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參量，可為進(jìn)一步改善預(yù)電離技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)，使其預(yù)電離效果獲得最大化，從而獲得高化學(xué)活性的低溫等離子射流，從而降低制造與運(yùn)行成本.

1 預(yù)電離低溫等離子體射流源

預(yù)電離低溫等離子體射流源發(fā)生器的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)內(nèi)外徑分別為0.51 cm和0.69 cm，長為20 cm的石英玻璃管，石英管上端緊密的套著側(cè)端有通氣孔的聚乙烯，氧氣可由此通氣孔（通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制氧氣的流量為50 sccm）通入，如圖1所示.一根從上端插入的中空的不銹鋼針頭與Ar氣相通（通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制氬氣的流量為2 slm），同時(shí)這根不銹鋼針與驅(qū)動(dòng)電源（電源頻率為15～40 kHz，峰值電壓為0～10 kV）相連作為預(yù)電離源.為了進(jìn)一步探究主放電區(qū)長度對(duì)預(yù)電離放電的影響，將寬為10 mm的鋁箔緊密纏繞在距不銹鋼針頂端8.5 cm或12.5 cm處，并也與不銹鋼針的驅(qū)動(dòng)電源相聯(lián)，作為另一個(gè)工作電壓；另有相同寬度的鋁箔緊密纏繞在距石英管噴口1.5 cm處，并與地線相連作為預(yù)電離源的地極.由于第二工作電壓的位置不同，主放電區(qū)長度分別設(shè)計(jì)6 cm和10 cm.實(shí)驗(yàn)過程中，放電峰值電壓維持在8.5 kV，電源頻率由17 kHz以每次2 kHz遞增至35 kHz，探究主放電區(qū)長度不同時(shí)，電源頻率的遞增對(duì)放電特性的影響，利用示波器（Tektronix DPO 4104）記錄電流信號(hào)；分析了電源頻率的遞增對(duì)放電電功率，電子密度的影響.

2 不同長度的主放電區(qū)，放電電流隨電源頻率的變化

實(shí)驗(yàn)中，分別采集了主放電區(qū)長度為6 cm和10 cm時(shí)，電源頻率由17 kHz以每次2 kHz遞增至35 kHz的電壓、傳導(dǎo)電流波形圖.圖2是所得到的電源頻率分別為23 kHz和25 kHz時(shí)的電流電壓波形圖.由圖可見，在放電區(qū)長度不變時(shí)，等離子體射流的電流脈沖會(huì)隨著放電頻率的提高而升高.而當(dāng)主放電區(qū)長度不同，電源頻率相同時(shí)，電流脈沖正負(fù)峰值明顯不同，主放電區(qū)長度為10 cm時(shí)，電流脈沖正負(fù)峰值更高，說明在相同的電源頻率下，低溫等離子體射流的放電強(qiáng)度受到放電區(qū)長度的影響.

為了精確地分析電源頻率由17 kHz以2 kHz遞增至35 kHz，電流受主放電區(qū)長度的影響，我們利用所得到的傳導(dǎo)電流波形圖，并通過（1）式計(jì)算得到兩種放電長度的傳導(dǎo)電流均方根值隨電源頻率的變化情況［21］，如圖3所示.

上式中，N為這個(gè)周期內(nèi)傳導(dǎo)電流的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù).

在圖3中，不同的放電區(qū)長度，電流均方根隨電源頻率變化的趨勢并不相同.主放電區(qū)長度為6 cm時(shí)，電流均方根隨電源頻率增高而增加，但在電源頻率增高到23 kHz時(shí)，電流均方根發(fā)生突漲，之后電流均方根隨電源頻率增高而繼續(xù)平穩(wěn)增加.主放電區(qū)長度為10 cm，電流均方根隨電源頻率增高而平穩(wěn)增加，沒有發(fā)生突漲的現(xiàn)象，同時(shí)，電流均方根值明顯高于相同電源頻率的放電區(qū)長度為6 cm的電流均方根值.從而可以看到電源頻率會(huì)影響等離子體射流的電流，同時(shí)，主放電區(qū)長度決定著電源頻率對(duì)電流的影響程度.

主放電區(qū)長度會(huì)影響放電產(chǎn)生的電子響應(yīng)電場的能力.再一次放電前，如果電子能夠響應(yīng)電場，運(yùn)動(dòng)到放電出口以外，則電子被消耗掉，無法參與下次放電；但如果電子在下次放電前無法及時(shí)響應(yīng)電場，就會(huì)被滯留在放電區(qū)內(nèi)往復(fù)振蕩，從而使電流持續(xù)增漲.對(duì)于大氣壓氬氣放電中電子的遷移速度滿足（2）式，

由（2）式可以計(jì)算得到放電電壓為8.5 kV時(shí)，主放電區(qū)長度為6 cm，電子的遷移速度為5.8×105cm/s；長度為10 cm時(shí)，遷移速度為3.48 cm/s.我們可以根據(jù)電子的遷移速度計(jì)算出電源頻率由17 kHz以每次2 kHz遞增至35 kHz對(duì)應(yīng)的四分之一電壓周期內(nèi)電子的遷移距離，見表1.

表1 放電頻率的四分之一電壓周期內(nèi)電子的遷移距離

由表1可以看到，當(dāng)主放電區(qū)長度為6 cm時(shí)，放電頻率不高于23 kHz時(shí)，電子遷移距離大于6 cm，電子能夠及時(shí)響應(yīng)電場，在下次放電之前到達(dá)介質(zhì)表面消耗掉.而放電頻率一旦高于23 kHz，電子遷移距離就會(huì)小于6 cm，導(dǎo)致電子無法及時(shí)響應(yīng)電場而殘留在放電區(qū)內(nèi)往復(fù)振蕩，從而降低下次放電的擊穿電壓，促使放電變強(qiáng)，因此，在放電頻率達(dá)到23 kHz時(shí)，電流突漲，之后隨著電源頻率繼續(xù)增加，更多滯留在放電區(qū)的電子促使電流持續(xù)增漲.而當(dāng)主放電區(qū)長度為10 cm時(shí)，電源頻率從17 kHz時(shí)，電子就不能及時(shí)響應(yīng)電場而滯留在放電區(qū)，因此，圖3中電流持續(xù)增漲，沒有出現(xiàn)明顯突漲，然而，電子沒能夠在接下來的放電開始前到達(dá)放電管出口以外，而被滯留在放電管內(nèi)參與到下次放電中，放電的擊穿電壓因此被降低，促使電源頻率相同時(shí)，10 cm的放電區(qū)長度的射流設(shè)備產(chǎn)生更強(qiáng)的電流.由此可見，電流會(huì)隨著電源頻率的增高而增加，但同時(shí)放電區(qū)長度會(huì)影響電源頻率對(duì)電流影響的程度.

3 不同長度的主放電區(qū)，電子密度隨電源頻率的變化

研究不同放電區(qū)長度產(chǎn)生等離子體射流的電子密度隨電源頻率的變化可以驗(yàn)證上文的分析.本文中利用（3）式來近似計(jì)算放電長度分別為6 cm和10 cm時(shí)的等離子體射流中電子密度［22?24］.

上式中，j為電流密度，可由電流均方根與放電橫截面積的比值估算出，vd為電子漂移速度，可由下式計(jì)算：

式中E為電場強(qiáng)度，可由放電電壓估算得到，μe為電子遷移率，可由（2）式計(jì)算得到.將（4）式代入（3）式中可得：

由（5）式可計(jì)算得到兩種放電區(qū)長度時(shí)，電子密度隨電源頻率的變化情況，如圖4所示.

圖4中，放電區(qū)長度為6 cm時(shí)，電子密度隨電源頻率變化同電流隨電源頻率變化一樣地呈現(xiàn)出兩種不同的趨勢，隨著電源頻率增高但還沒有達(dá)到23 kHz時(shí)，電子密度呈現(xiàn)平穩(wěn)遞增的趨勢，電源頻率一旦增高到23 kHz，電子密度出現(xiàn)突增，之后又再次隨著電源頻率的增高而平穩(wěn)的增加.當(dāng)放電區(qū)長度為10 cm時(shí)，電子密度隨電源頻率的變化同電流隨電源頻率的變化趨勢基本一致，電子密度隨著電源頻率的增高而持續(xù)平穩(wěn)的增加，并沒有出現(xiàn)突漲.同時(shí)，電源頻率相同時(shí)，10 cm的放電區(qū)長度的射流設(shè)備產(chǎn)生更多的電子.因此可以說明，主放電區(qū)長度確實(shí)會(huì)影響放電產(chǎn)生的電子響應(yīng)電場的情況，如本文中放電長度為6 cm時(shí)，23 kHz是該長度等離子體射流源的臨界電源頻率，不高于該頻率，電子來得及響應(yīng)電場，電子會(huì)到達(dá)介質(zhì)層而消耗掉，但一旦達(dá)到該頻率，電子不能夠在接下來的放電開始前到達(dá)放電管出口以外，而被滯留在放電管內(nèi)參與到下次放電中，放電的擊穿電壓因此被降低，增強(qiáng)放電強(qiáng)度，因此電子密度也會(huì)突增.同樣，本文中放電長度為10 cm時(shí)，電子遷移距離始終小于放電區(qū)長度，因此大量電子來不及響應(yīng)電場而滯留在放電區(qū)往復(fù)振蕩，進(jìn)而促使放電增強(qiáng)，導(dǎo)致相同頻率下，放電區(qū)長度為10 cm的等離子體射流源電子密度高于放電區(qū)長度為6 cm的等離子體射流源電子密度.

4 不同長度的主放電區(qū)，電功率隨電源頻率的變化

等離子體射流的電功率是反映等離子體射流放電特性的重要參量，接下來我們利用李薩如圖形法探究兩種放電長度等離子體射流源的電功率隨電源頻率的變化趨勢.

為了得到李薩如圖形，我們將一個(gè)無損耗測量電容（360 pF）以串聯(lián)的方式組裝在低溫等離子體射流裝置中，傳輸電荷可通過電容兩端的電壓獲得，并由示波器X端子采集得到；而Y端子采集外加電壓，便得到李莎如圖形.同時(shí)，通過測量電容兩端的電壓，即可得到放電電流：

式中，UM為電容兩端電壓.當(dāng)外加激勵(lì)電壓為U，一個(gè)放電周期T內(nèi)，電功率可由下式得到：

將（6）式代入（7）式可得到：

式中f為電源頻率，本實(shí)驗(yàn)的電源頻率由17 kHz以2 kHz遞增至35 kHz.由上式可以看出，射流的電功率可由每個(gè)周期射流損耗的能量得到，即可計(jì)算得到等離子體射流的電功率.

利用李薩如圖形的方法，并利用（8）式計(jì)算得到兩種不同放電區(qū)長度時(shí)等離子體射流的電功率隨電源頻率的變化趨勢，如圖5所示.

圖5中，放電區(qū)長度為6 cm時(shí)等離子體射流源的電功率隨電源頻率的變化趨勢同電流和電子密度變化趨勢基本一致，同樣在23 kHz時(shí)出現(xiàn)突增；放電區(qū)長度為10 cm的等離子體射流源的電功率隨電源頻率與電流和電子密度的變化趨勢基本一致，電功率隨電源頻率的增高而持續(xù)平穩(wěn)的增加；同時(shí)當(dāng)電源頻率相同時(shí)，相比于放電區(qū)長度6 cm的射流設(shè)備，10 cm長度的射流設(shè)備的電功率更高.由此可見，等離子體射流的電功率隨電源頻率的變化程度也會(huì)受到放電區(qū)長度的影響.放電區(qū)長度對(duì)等離子體參量隨電源頻率變化影響的研究可以為設(shè)計(jì)和優(yōu)化高效等離子體射流源研究提供理論依據(jù).

5 結(jié)論

本文采用主放電區(qū)長度分別為6 cm和10 cm的雙高壓單管等離子體射流裝置產(chǎn)生O2/Ar等離子體射流.探究了等離子體射流的電流，電子密度和電功率隨電源頻率的變化趨勢.研究發(fā)現(xiàn)，這些參量隨電源頻率的變化趨勢并不相同，對(duì)于主放電區(qū)長度為6 cm的射流設(shè)備，23 kHz應(yīng)該是它的臨界電源頻率，沒有升高到該頻率之前，隨著電源頻率的升高，等離子體射流的放電特性（電流，電子密度和電功率）呈現(xiàn)平穩(wěn)遞增的趨勢，一旦到達(dá)臨界頻率，這些參量會(huì)有突增，之后又隨著電源頻率的增高而持續(xù)平穩(wěn)的增加；對(duì)于放電區(qū)長度為10 cm的射流設(shè)備，隨著電源頻率的升高，等離子體射流的放電特性（電流，電子密度和電功率）持續(xù)平穩(wěn)的增加，同時(shí)，電流，電子密度和電功率高于相應(yīng)電源頻率的6 cm的主放電區(qū)長度產(chǎn)生的等離子體射流參量.由此可見，電子可否參與到下一次放電中而增強(qiáng)放電，是由電源頻率和主放電區(qū)長度這兩個(gè)參數(shù)的匹配程度決定的.因此，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化高效等離子體射流源的時(shí)候，我們必須根據(jù)需要選擇合適的主放區(qū)長度與電源頻率.