空氣放電特性參數(shù)間相關(guān)性分析

張信華， 賀 華， 蔡小紅， 常志東， 吳 桐

(1.常州工學(xué)院 光電工程學(xué)院， 江蘇 常州 213032; 2.蘇州恩奇醫(yī)療器械有限公司， 江蘇 蘇州 215011;3.西安電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 西安 710071; 4.嘉興恩奇醫(yī)療器械有限公司， 浙江 嘉興 314022)

等離子射流作為一種新興的等離子體放電技術(shù)，近年來受到廣大科研學(xué)者熱切關(guān)注并進行了深入研究，其發(fā)展速度之快，技術(shù)類型之多，在凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域尤為突出；就等離子體放電技術(shù)而言，如輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、射頻低溫等離子體放電、射流低溫等離子體放電等，應(yīng)用于不同領(lǐng)域，取得了長足的進步，其中最為熱門的屬于低溫等離子醫(yī)學(xué)方面的研究[1-3]和工業(yè)等離子體技術(shù)等[4-6]。

在這些應(yīng)用中，同軸型電暈放電因其結(jié)構(gòu)簡單且容易加工等特點，應(yīng)用廣泛。它利用電極間電場極其不均勻的特征，直接在大氣壓下產(chǎn)生等離子體射流[7],廣泛應(yīng)用在殺菌消毒[8-9]、材料處理[10-11]、靜電除塵等方面[12-13]。利用同軸圓筒結(jié)構(gòu)中非平衡條件下，電暈放電產(chǎn)生的等離子體從筒口噴出，向外界環(huán)境做定向運動，形成等離子射流[14]。這種結(jié)構(gòu)在很大程度上克服了平行板型耦合放電裝置在表面處理的局限性[15-16]，使其應(yīng)用更加廣泛。

隨著大量科研團隊在等離子射流技術(shù)領(lǐng)域的研究和探索，越來越多的理論與微觀現(xiàn)象被深入挖掘。這些研究中，國內(nèi)外大多數(shù)科研學(xué)者利用稀有氣體(如氦氣)作為等離子產(chǎn)生的氣體[17-18]，進而研究放電的機理；而對于利用空氣放電，不少科研工作者也進行了探索，從微觀的角度對空氣放電中電子運輸參數(shù)進行了詳細分析與計算[16-24]，然而很少有學(xué)者對低溫空氣等離子體射流技術(shù)相關(guān)宏觀物理特性參數(shù)與微觀參量之間的聯(lián)系進行探討，也鮮有相關(guān)總結(jié)及可用于工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗指導(dǎo)見諸報道。

本文利用同軸圓筒結(jié)構(gòu)進行放電實驗，針對其中的射流長度與頻率、射流溫度與頻率、射流溫度與電壓、氣體流速與射流溫度之間的關(guān)系進行了較為全面實驗測試。從宏觀上總結(jié)出相關(guān)線性關(guān)系，結(jié)合微觀上提出存在機理，解釋相關(guān)變量間的物理聯(lián)系。這可為相關(guān)科研工作者在開發(fā)和應(yīng)用等離子技術(shù)上，提供良好的經(jīng)驗指導(dǎo)和參考。

1 實驗裝置

射流放電發(fā)生器裝置如圖1(a)所示，該裝置采用同軸圓筒結(jié)構(gòu)。圖1(b)是手持式成品外觀圖，是本次實驗裝置的整體外形，其攜帶方便，便于實驗測試。

圖1 射流裝置

圖2是本次實驗研究等離子射流圖，測試過程中幾乎不產(chǎn)生臭氧，在暗室條件下等離子射流明顯，放電效果良好。該發(fā)生器幾何參數(shù)如圖3、圖4所示。

圖2 等離子射流圖

圖3 等離子放電金屬頭

圖4 等離子發(fā)生器金屬地極

圖3、圖4分別是放電裝置的放電金屬頭和金屬地極。其中放電金屬頭為TC80紫銅材質(zhì)。陶瓷絕緣外套如圖1(a)中所示，長33 mm，前端內(nèi)徑13 mm，后端內(nèi)徑19 mm。金屬地極采用LGK-63型號康銅(鎳合金，由55%銅和45%鎳合成，具有不易隨溫度變化而改變其性質(zhì)，且電阻率高)。陶瓷流器為60A型。

2 參數(shù)分析

2.1 射流長度與頻率之間關(guān)系分析

在電壓足夠高的條件下(達到放電閾值電壓)，放電頻率反映了整個等離子體激發(fā)所在空間電磁場交變次數(shù)快慢，即傳遞能量到粒子上的快慢，是單位時間內(nèi)產(chǎn)生離子數(shù)量的決定性因素。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，放電頻率和等離子射流的關(guān)系很少有人深入研究。本實驗測試中，通過數(shù)次重復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，頻率是影響射流長度與射流溫度最直接原因，它們之間存在必然聯(lián)系。具體實驗數(shù)據(jù)(以其中一組為例)如圖5所示。

大氣壓下，同軸圓筒結(jié)構(gòu)在非平衡條件下的電暈放電中，實驗外加頻率按照遞增方式變化，測試電壓固定為12 V(按輸入輸出比，放電電壓720 V)，流速固定為3.5 L/min。等離子射流長度變化如圖5所示。

圖5 頻率與射流長度的關(guān)系

由等離子體產(chǎn)生的條件判據(jù)可知[24]，外加電場頻率增加時，單位時間內(nèi)，空氣放電電場交變次數(shù)加快，粒子間碰撞阻尼頻率增大，導(dǎo)致等離子體振蕩難以維持，從而使射流長度受影響而變短。當固定放電頻率不變時，則實際觀察到電暈放電中的射流長度無明顯變化，可見，頻率是影響非平衡條件下該類型結(jié)構(gòu)等離子體發(fā)生器放電的直接因素。

由圖5可知，當頻率接近140 kHz時，出現(xiàn)一組反差較大數(shù)據(jù)，而該頻率所對應(yīng)的射流長度偏差很小。推測這是由于激發(fā)空氣使之電離產(chǎn)生等離子體的高頻脈沖電壓在兩級之間形成電場，由于各種粒子的運動模式差異產(chǎn)生的波形復(fù)雜，導(dǎo)致聲波、電磁波以及它們的混雜波與反射波之間形成駐波。這些電磁波在波形上會形成波腹，即圖中最低點，從而出現(xiàn)等離子體射流湮滅致使無法觀測到射流產(chǎn)生。這種影響在同軸型等離子體空氣放電過程中重復(fù)出現(xiàn)，后續(xù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)從不同角度驗證了該現(xiàn)象。

本文分別實現(xiàn)了向量空間模型建模的排序算法、歸一化計算排序算法以及仿lucene打分計算方法，并將3種算法與開源框架lucene進行比較測試。測試環(huán)境為：HP服務(wù)器、CPU為IntelXeon 5120 1.86GHz、內(nèi)存3.5GB、硬盤80GB，使用農(nóng)學(xué)專家黃璜教授提供“柑橘常見500問”作為測試文獻。

按照上述放電頻率在等離子體中反映的現(xiàn)象，當電磁場在沒有駐波影響條件下(理想條件)，射流長度與放電頻率之間應(yīng)該呈線性增長關(guān)系，而圖5中如不考慮波腹點，卻表現(xiàn)為線性減小的關(guān)系。這是由于當增大頻率f時，空間電磁場交變加快導(dǎo)致等離子間的碰撞頻率vc加快。而等離子體產(chǎn)生振蕩維持的頻率fp必須滿足[25]

fp>vc

(1)

這個條件表示，電子不可能通過與中性粒子碰撞來耗散振蕩能量以使等離子體振蕩能維持，其中vc為碰撞阻尼頻率，表示維持電荷分離的因素。如果不滿足式(1)，電子與中性粒子碰撞頻繁，則等離子體運動幾乎是由普通流體力學(xué)的所支配，而不是電磁力支配。實驗結(jié)果很好地證明，當增大外加頻率f，電子與中性粒子之間碰撞頻率增加，碰撞阻尼頻率大于等離子體維持振蕩的頻率fp。此時等離子體發(fā)生器表現(xiàn)為射流長度減小，如圖5所示，實驗結(jié)果與之吻合[24]。

駐波是頻率相同、傳輸方向相反的兩列波沿傳輸線形成的一種分布狀態(tài)，其中一個波通常是另一個波的反射波[25-26]。這種波無法傳播能量，像一個停駐波，稱為駐波。由兩列波引起振動同相，相互加強的點稱為波腹；兩列波引起振動反相，相互抵消的點稱為節(jié)點。而在電磁場中，駐波中波腹相當于在波導(dǎo)當中傳播的模式，在一定程度上會影響電場中粒子的電離強度。這在本實驗的其余測試中均體現(xiàn)了這一影響[27]。

2.2 射流溫度與頻率之間關(guān)系分析

等離子射流溫度是等離子研究中的重要參數(shù)。在濃密的等離子體內(nèi)，溫度升高導(dǎo)致粒子間熱運動明顯，粒子間平均距離減小，碰撞迅速增加，靜電相互作用明顯，等離子體各成分之間建立了熱力學(xué)平衡，此時可以用熱力學(xué)溫度統(tǒng)一表征。在非平衡狀態(tài)下，等離子溫度是一個不確切狀態(tài)參量，各類粒子有自身溫度數(shù)值，因此各離子成分用其對應(yīng)的能量單位分別來描述，電子伏特(eV)的換算關(guān)系為[24]1 eV=kT，1 eV=1.602×10-19J，玻爾茲曼常數(shù)值k=1.380×10-23J/K，1 eV相當于116 00 K(開爾文溫度)。

其中射流溫度是因變量，當電壓和工作氣體氣壓一定時，頻率變化在整個空氣放電中占據(jù)主要影響因素。改變射流頻率，測得射流溫度變化，如圖6(a)所示。

圖6 射流溫度隨頻率變化關(guān)系圖

圖6(b)表示將數(shù)據(jù)進行部分線性擬合后射流溫度隨頻率變化的關(guān)系圖。通過和圖5比較，發(fā)現(xiàn)射流長度與射流溫度基本成對應(yīng)關(guān)系，即當射流因頻率的原因變短時，其在宏觀空間的溫度也隨之降低；反之亦然。這與2.1節(jié)中提到的觀點一致。宏觀溫度實際上是電離強度的體現(xiàn)，當一定頻率的電磁場激發(fā)工作氣體時，其存在一定的模式(波腹、波節(jié))，反映到對空氣的電離強度和離子濃度的綜合作用，宏觀上以等離子體射流的溫度體現(xiàn)出來。如在135～140 kHz，不少電場模式處于波節(jié)狀態(tài)，使得電場對空氣的電離處于一個相對較小的值，從而影響電離程度，使得所激發(fā)的等離子體射流溫度變低；而在160 kHz附近，多數(shù)電場模式處于波腹狀態(tài)，導(dǎo)致空氣被電離的程度大大加強，宏觀上體現(xiàn)為等離子體的溫度上升，且射流長度增長。而在200 kHz點處，推測是因為外加電場頻率已經(jīng)超過碰撞阻尼頻率，從而導(dǎo)致射流長度變短但實際離子能量由于更加劇烈的電磁作用變得更高。

2.3 射流溫度與電壓之間關(guān)系分析

溫度是反映射流的重要參數(shù)[28]。對于不同結(jié)構(gòu)的等離子射流設(shè)備放電區(qū)間所對應(yīng)放電電壓有所差異。實驗測試中保持一定頻率(70.7 kHz)不變，氣體流速為1 L/min。測量射流溫度距離為20 mm(測量溫度儀器為TM-902C便攜式數(shù)字測溫儀),改變電場電壓大小，測得射流溫度隨電壓變化，如圖7所示。

圖7 電壓與射流溫度的關(guān)系

由圖7可知，在一定放電頻率范圍內(nèi)，大氣壓下非平衡等離子放電射流溫度與電壓之間呈線性增長關(guān)系。增大電壓即增加腔體之間電場強度，等離子獲得更多能量，濃度增加，宏觀上表現(xiàn)為等離子體發(fā)光強度更強，射流溫度變化上升[28]。

2.4 氣體流速與射流溫度關(guān)系分析

除電壓與射流溫度的關(guān)系之外，進一步探討氣體流速與射流溫度關(guān)系。這些實驗數(shù)據(jù)是在頻率一定、電壓一定且射流正常的情況下進行測定的，通過改變氣流流速，測量射流溫度變化，輸入電壓固定為12 V，輸出電壓為720 V，頻率穩(wěn)定輸出為70.7 kHz，具體數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 射流溫度隨氣體流速變化圖

由圖8可知，在等離子射流正常放電區(qū)間范圍內(nèi)，在標準大氣壓下，推測氣流流速增大加快了粒子間的碰撞次數(shù)，等離子體濃度增大，射流溫度隨之升高。當氣體流速超過1 L/min時,腔體內(nèi)氣壓減小，分子數(shù)密度越小，造成等離子間的碰撞次數(shù)減弱，宏觀上體現(xiàn)射流溫度稍稍減小，最終在一個閾值區(qū)間擺動。測試中，等離子射流長度從宏觀上測量，幾乎不變。

實際上，前人實驗研究表明，射流長度變化與氣體流速大小存在關(guān)系[29-30]。從氣體流動層流、過渡態(tài)和湍流3個階段分析[29]。當流動處于層流階段時,隨著流速增加,徑向速度與摩爾分數(shù)分量相對逐漸減小，射流長度變長。當流動處于湍流時,徑向空氣速度與摩爾分數(shù)分量陡然上升,流動趨于不穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致射流長度變短[24]。氣體流速在0.5～1.0 L/min階段，本實驗中放電結(jié)構(gòu)決定了層流占主導(dǎo)；而在氣體流速超過1.0 L/min后，放電結(jié)構(gòu)中湍流的影響上升，致使層流和湍流基本維持在一定的比例，從而表現(xiàn)為射流長短基本保持不變的現(xiàn)象。

由等離子放電理論中氣體分子密度N與壓強P、溫度T之間關(guān)系為[24]

P=NKT

(2)

(3)

式中，r為同種氣體中的粒子半徑。

當氣體流速過快，式(3)中左邊結(jié)果變小，等離子體所處環(huán)境壓強變小，則式(3)右邊溫度應(yīng)該升高，宏觀上表現(xiàn)為開始一段時間射流溫度隨氣體流速加快而升高。然而圖中后半段卻出現(xiàn)了下降并最后保持在一定范圍內(nèi)抖動曲線圖，原因和粒子遷移率有關(guān)。因粒子間發(fā)生大量碰撞時，帶電粒子平均漂移速度與氣體濃度、電場強度有關(guān)，而帶電粒子的運動狀態(tài)用單位強度電場作用下的飄逸速度來表征(即遷移率)。

在電場作用下，帶電粒子所受到的力可以表示為[24]

(4)

(5)

式中：e為電荷量為e的電荷；E為電場強度；m為電荷質(zhì)量；Vd表示真空中離子速度，而粒子的遷移率μ是該速度與電場強度的比值，即

(6)

由于帶電粒子與周圍各種粒子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致方向改變的同時損失了粒子能量，當氣流速度越大，粒子間存在大量碰撞，損失大量能量。而氣流達到湍流階段時不穩(wěn)定，導(dǎo)致射流溫度先下降。由于湍流階段壓強相對變小，故射流溫度先下降后保持在一定范圍波動[30],這與氣體3個階段分析[30]論述所得結(jié)論一致。

3 結(jié)論

實驗采用同軸圓筒型結(jié)構(gòu)，探究在大氣壓下非平衡等離子放電特性參數(shù)之間的相關(guān)性，得到以下結(jié)論：

1)射流長度相對于頻率成反比增長線性關(guān)系，其中因為電磁波駐波影響，在波形變化上會表現(xiàn)為出現(xiàn)一到兩個波腹，導(dǎo)致出現(xiàn)偏差較大數(shù)據(jù)點。在放電閾值電壓范圍內(nèi)，射流長度隨頻率增大而減小。

2)射流溫度與頻率變化曲線由于駐波中波腹和波節(jié)的影響，存在極值跳變，宏觀上的數(shù)據(jù)顯示有偏差。但射流長度與射流溫度基本成對應(yīng)關(guān)系，即當射流因頻率的原因變短時，其在宏觀空間的溫度也隨之降低；反之亦然。

3)等離子射流溫度與電壓之間呈線性增長關(guān)系，宏觀上表現(xiàn)為射流溫度隨電壓增大而升高，微觀上體現(xiàn)出電壓增加導(dǎo)致粒子間平均動能變大，表現(xiàn)為射流溫度升高。射流長度與電流之間也類似呈線性增長關(guān)系，原因是電流與電壓之間符合伏安特性變化規(guī)律。

4)在一個標準大氣壓以內(nèi)，氣體流速對射流溫度影響較大，呈線性增長關(guān)系。當氣體流速大于1 L/min時，射流溫度在一定區(qū)間范圍上下波動，宏觀上影響不大。而當氣體流速在1 L/min內(nèi),射流長度幾乎不變。