大氣壓氬氣刷形等離子體羽的特性研究*

楊麗君 宋彩虹 趙娜 周帥 武珈存 賈鵬英

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 保定 071002)

1 引 言

大氣壓非平衡低溫等離子體在生物醫(yī)學(xué)[1-4]、表面處理[5]、薄膜生長[6]、增強催化[7]以及元素探測[8]等方面具有巨大的應(yīng)用潛力.目前利用介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge, DBD)裝置已經(jīng)成功地在惰性氣體、氮氣等[9,10]具有亞穩(wěn)態(tài)的氣體中實現(xiàn)了穩(wěn)定的大氣壓均勻放電.如果直接以空氣作為工作氣體, 由于大氣壓空氣的擊穿電場很高, 放電很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性, 致使輝光放電向弧光放電轉(zhuǎn)化, 從而破壞均勻放電.因此, 常規(guī)手段很難實現(xiàn)大氣壓空氣均勻放電.

Wang等[11]在實驗和理論計算的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn):在大氣壓空氣中, 若氣體間隙大于5.0 mm, 不論如何選擇驅(qū)動電源的頻率, 都不能得到大氣壓均勻放電而只能是空間不均勻的絲狀放電.Fang等[12]研究了空氣均勻DBD的影響因素, 發(fā)現(xiàn)氣壓、介質(zhì)層厚度和氣隙寬度都對均勻放電有著重要的影響, 即DBD只有在合適的參數(shù)范圍內(nèi)才有可能產(chǎn)生均勻放電.通常, 均勻DBD的氣隙寬度很小(只有幾個毫米), 因此使得待處理材料的尺寸也受到了限制, 即大氣壓均勻DBD很難對大體積的三維物體進(jìn)行處理.

為了消除DBD氣隙寬度對待處理材料的尺度限制, 研究者們提出了一系列等離子體射流裝置.在等離子體射流中, 電極區(qū)產(chǎn)生的等離子體通過氣體的流動可以在應(yīng)用區(qū)產(chǎn)生等離子體羽, 從而實現(xiàn)產(chǎn)生區(qū)和應(yīng)用區(qū)分離.研究者提出了多種類型的等離子體射流[13-17].這些射流雖然結(jié)構(gòu)多種多樣, 但按照氣流場與外加電場的關(guān)系, 可以分成兩類: 交叉場射流(電場方向與氣流方向垂直)和平行場射流(電場方向與氣流方向相同).研究表明平行場射流比交叉場射流的等離子體羽具有更高的電子溫度和化學(xué)活性[18].

等離子體射流雖然為三維材料的處理帶來了便利, 但由于射流產(chǎn)生的等離子體羽通常直徑很小, 這導(dǎo)致其在材料處理應(yīng)用中效率較低.顯然,大尺度(橫向尺度)的等離子體羽更能滿足需求.針對于此, 研究者提出利用射流組成陣列來擴展等離子體羽的橫向尺度.但研究發(fā)現(xiàn)陣列之間存在相互作用, 因此利用這種方法很難產(chǎn)生大尺度的均勻等離子體羽[19,20].

研究者對大氣壓刷形等離子體羽進(jìn)行了嘗試.Tang等[21]通過直流放電在空氣環(huán)境中產(chǎn)生了15.0 mm × 19.0 mm刷形氬氣等離子體羽.該放電需要電阻限流, 產(chǎn)生大量的焦耳熱, 因此造成了能量浪費.為了避免限流電阻焦耳熱的產(chǎn)生, 本課題組利用兩個相對放置的針電極形成DBD放電,在交流電壓激勵下產(chǎn)生了刷形等離子體羽[22].為了改善其均勻性, 在其上游施加了一個輔助DBD,結(jié)果表明在輔助DBD的幫助下, 刷形等離子體羽長度更長, 且均勻性更好[23].其中文獻(xiàn)[22, 23]的電場與流場基本是垂直的, 所以是一種交叉場結(jié)構(gòu)的射流.而相關(guān)研究表明, 平行場射流比交叉場射流有更高的化學(xué)活性[18,24].此外, Li等[25]利用矩形氣道的DBD射流產(chǎn)生了面積為50.0 mm ×40.0 mm刷形均勻等離子體羽, 但該裝置需要使用昂貴的氦氣.他們還利用一個半約束型介質(zhì)阻擋放電裝置, 以氬氣為工作氣體得到了長度為18.0 mm的刷形等離子體羽[26].

本文利用一個具有三電極的介質(zhì)阻擋放電裝置, 在交流電壓與負(fù)偏置電壓的共同作用下,在流動氬氣的下游產(chǎn)生了大尺度刷形等離子體羽(50.0 mm × 40.0 mm).利用電學(xué)、光學(xué)和光譜學(xué)手段對該刷形等離子體羽的特性進(jìn)行了深入研究.

2 實驗裝置

圖1給出了實驗裝置示意圖.由石英片構(gòu)成一個具有矩形截面(50.0 mm × 1.5 mm)的氣道.氣道的前后兩片石英片(厚度均為1.5 mm)相距1.5 mm, 其上端對齊, 下端(末端)相距20.0 mm.在這兩個長短不同石英片的外側(cè)平行貼有兩片銅箔(50.0 mm × 5.0 mm與50.0 mm × 25.0 mm各一), 銅箔距離石英片末端均為5.0 mm.顯然,兩銅箔電極與石英片構(gòu)成了DBD裝置.通過質(zhì)量流量計(Sevenstar SC200 A)控制, 純度為99.999%的氬氣以5.0 L/min的流量流入該矩形氣道.DBD放電會在氣道噴口下方產(chǎn)生等離子體羽, 為了增長等離子體羽的長度, 在氬氣流下游放置了第三電極.該電極距離矩形氣道最低點(長石英片末端)40.0 mm.DBD由頻率為70 kHz的交流電源(Suman CTP-2000 K)驅(qū)動.第三電極經(jīng)過100 kΩ的限流電阻后, 與直流電源(KR20 R150 Glassman)負(fù)高壓輸出端相連.實驗中直流電壓(偏置電壓)固定為—9.5 kV.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1.Schematic diagram of the experimental setup.

采用高壓探頭(Tektronix P6015A)對兩銅箔電極間電壓進(jìn)行測量, 利用電流環(huán)(Tektronix TCPA 300)測量接地DBD電極的電流信號, 采用光電倍增管(photo multiplier tube, PMT) (ET 9085SB)測量等離子體羽的發(fā)光信號.外加電壓、放電電流和光信號均通過示波器(Tektronix DPO4104)顯示和儲存.等離子體羽的圖像由增強型電荷耦合器件(intensified charge device, ICCD)(Andor DH334)記錄.利用光柵光譜儀(Acton SP2758, CCD: 1340像素 × 400像素)對等離子體羽的總發(fā)射光譜進(jìn)行采集.為了采集等離子體羽的總光譜, 利用透鏡將等離子體羽進(jìn)行聚焦進(jìn)入光譜儀入口狹縫.對于空間分辨的發(fā)射光譜, 也是采用透鏡成一個和等離子體羽等大的像, 然后在像平面上利用光纖收集不同位置(直徑約400 μm)的發(fā)光.該光纖與光譜儀入口狹縫相連, 從而實現(xiàn)光譜的空間分辨測量.為了便于討論和分析, 建立二維坐標(biāo)系.其中, 坐標(biāo)原點位于長石英片末端的中點, Y軸沿氣流方向,X軸平行于氣道末端.

3 結(jié)果與討論

當(dāng)交流電壓峰值達(dá)到約4.0 kV時, 兩銅箔電極間氣體擊穿產(chǎn)生放電.隨著交流電壓峰值的增大, 放電逐漸在長石英片的末端擴展, 并在電壓峰值約8.0 kV時在氣流下游的自由空間產(chǎn)生了穩(wěn)定的刷形等離子體羽.研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)電壓峰值固定為8.0 kV, 當(dāng)氬氣流量大于6.0 L/min時放電容易過渡為間歇性的火花放電.若保持氣流為5.0 L/min,當(dāng)交流電壓峰值增大到12.0 kV時, DBD裝置和第三電極間開始出現(xiàn)間歇性火花放電.所以, 采用5.0 L/min的氬氣流量, 小于12.0 kV的電壓峰值來研究刷形等離子體羽的放電特性.

圖2給出了不同交流電壓峰值下等離子體羽的ICCD圖像.通過圖2可以看出, 等離子體羽能連接石英氣道末端和第三電極間的區(qū)域, 其面積為50.0 mm × 40.0 mm.等離子體羽在氣道末端最亮, 沿著氣流方向亮度略有降低.當(dāng)交流電壓峰值增大到10.5 kV時, 等離子體羽相比低電壓下發(fā)光更亮, 且變得更均勻.逐漸縮短ICCD曝光時間,發(fā)現(xiàn)不論高電壓還是低電壓下等離子羽均是由微放電組成.1.0 μs曝光時間的ICCD照片表明, 微放電呈現(xiàn)隨機的分叉.這種隨機分叉的微放電應(yīng)該屬于流光機制, 因此, 視覺均勻的刷狀等離子體羽源于分叉流光的時間疊加.

圖2 不同交流電壓峰值及曝光時間下的等離子體羽照片F(xiàn)ig.2.Images of the plasma plume with different peak voltage and exposure time.

圖3給出了外加交流電壓、放電電流和等離子體羽發(fā)光信號的波形.從圖3可以發(fā)現(xiàn), 不論峰值電壓(Vp)高低, DBD均呈現(xiàn)一些不規(guī)則的電流脈沖.在一個電壓周期內(nèi), 等離子體羽僅有一個發(fā)光脈沖, 且其放電脈沖對應(yīng)于電壓的正半周期.對比圖3(a)和圖3(b)可以發(fā)現(xiàn), 增加交流電壓的幅值,放電的電流脈沖個數(shù)增加, 且等離子體羽的光脈沖強度增大.圖3中的光強度為負(fù)值是由光電倍增管的工作原理決定的.光子入射到光電倍增管的光陰極后, 通過光電效應(yīng)光陰極發(fā)射電子, 這些電子經(jīng)過一系列打拿極實現(xiàn)電子數(shù)倍增后, 最后被陽極收集, 輸出信號.顯然, 由于陽極收集電子, 所以陽極對應(yīng)的電壓信號是負(fù)值.

圖3 外加電壓、放電電流和刷形等離子體羽發(fā)光信號的波形 (a) 交流電壓的幅值為8.0 kV; (b) 交流電壓的幅值為10.5 kVFig.3.Waveforms of applied voltage, discharge current and integrated emission from the brush-shaped plasma plume: (a) The amplitude of alternating current of 8.0 kV; (b) the amplitude of alternating current of 10.5 kV.

DBD在介質(zhì)表面累積記憶電荷, 這些記憶電荷會抵消外加電場, 從而熄滅本電壓半周期的放電.但當(dāng)外加電壓反向(下半周期來臨), 這些記憶電荷對放電有促進(jìn)作用.在這些記憶電荷的作用下, 大氣壓氬氣放電通常呈現(xiàn)絲狀放電模式[27],從而電流表現(xiàn)為一些隨機的放電脈沖(圖3).如果氣道口的電介質(zhì)上沉積了足夠多的記憶電荷, 則會產(chǎn)生電荷溢流效應(yīng)[28], 引起下游區(qū)域的流光放電.也就是說, 隨著氣道中DBD放電的進(jìn)行, 氣道口接地電極附近的電介質(zhì)板上積累的電荷增多, 引起氣道口附近的電場增強.當(dāng)其電場達(dá)到擊穿場閾值時, 引起向著氣流下游傳播的分叉流光.

為了進(jìn)一步深入地了解這種放電現(xiàn)象的放電機制, 利用ICCD拍攝了單個放電周期即曝光時間為13.0 μs下的放電照片, 如圖4所示.從圖4可以觀察到, 不論交流電壓高低, 每個電壓周期內(nèi)僅出現(xiàn)一個分叉流光, 不同的分叉流光出現(xiàn)在DBD區(qū)域的位置也是隨機的.隨著Vp的升高, 每個分叉流光的分叉?zhèn)€數(shù)增多, 同時放電橫向擴展的尺寸也有所增大.對于這一現(xiàn)象可以分析如下.DBD放電會隨著交流電壓峰值增大而增強.這意味著峰值電壓增加時, DBD會釋放更多的光子, 從而在周圍空間產(chǎn)生更多的種子電子.種子電子的增多表明正流光在傳播過程中有更多的分叉概率, 從而表現(xiàn)為更多的分叉.因此, 隨著交流電壓峰值增加, 分叉流光的分叉數(shù)目增多.更多分叉的流光必然產(chǎn)生更大的發(fā)光強度, 因此在圖3中每次放電的光脈沖強度增加.

圖4 不同Vp下的ICCD照片 (曝光時間為13.0 μs) (a)-(c) 8.0 kV; (d)-(f) 10.5 kVFig.4.ICCD images with an exposure time of 13.0 μs for the plume at different Vp: (a)-(c) 8.0 kV; (d)-(f) 10.5 kV.

圖5給出了放電在300—850 nm范圍內(nèi)等離子體羽的總發(fā)射光譜.除了N2(C3Πu— B3Πg)的第二正帶系[29], 696—800 nm范圍內(nèi)的Ar I (4p—4s)[27]以及844.6 nm處的O I (3p3P—3s3S)[30], 還存在位于308.0 nm處的OH (A2Σ+—X2Π)[31]發(fā)射譜線.其中氮和氧相關(guān)的譜線是由空氣擴散到工作氣體中造成的.通過LIFBASE 2.0軟件擬合實驗獲得的氮分子第二正帶系(370—385 nm), 可以獲得振動溫度Tv, 對于圖5的實驗條件下, 擬合的Tv為1509 K, 這和小尺度射流等離子體羽的振動溫度相近[32].此外, 基于碰撞-輻射模型, 氬的譜線強度比(763 nm/772 nm, 738 nm/750 nm)分別正相關(guān)于電子溫度和電子密度[33-35].因此, 還研究了763 nm/772 nm及738 nm/750 nm譜線強度比隨空間位置、氧氣含量及峰值電壓的變化關(guān)系,結(jié)果如圖6所示.

圖5 等離子體羽在300-850 nm的總發(fā)射光譜 (Vp =8.0 kV)Fig.5.300-850 nm scanned spectrum emitted from the plasma plume (Vp = 8.0 kV).

從圖6可以發(fā)現(xiàn), 電子溫度、電子密度和分子振動溫度隨實驗參數(shù)的變化趨勢相同.即它們隨著距噴口距離的增大先增加后減小, 隨著氧氣含量的增加單調(diào)降低, 而隨著峰值電壓的增加而增大.關(guān)于等離子體參數(shù)(電子溫度、電子密度和振動溫度)隨位置的變化可以解釋如下.在正流光傳播的起始階段, 流光頭的電場(E )隨著傳播距離增強,導(dǎo)致其前方的二次電子雪崩的湯森第一電離系數(shù)(α(E ))增加, 亦即放電越來越劇烈.所以, 在這個階段流光的等離子體參數(shù)隨著距離增加而增大.當(dāng)流光傳播過一定距離后, 流光頭的空間正電荷達(dá)到最大值, 此后隨著傳播距離的增大, 流光頭的電場會不斷減小直至不足以維持其前方的二次電子雪崩, 從而終止傳播.在這個階段, 由于電場隨著距離的增大而減弱, 所以等離子體參數(shù)會隨著距離的增大而降低.此外, 在流光傳播過程中, 氧分子會吸附電子, 這種效應(yīng)導(dǎo)致二次電子崩向著流光頭正電荷遷移過程中每移動單位距離產(chǎn)生的電子數(shù)(即α值)降低.也就是說, α值隨著氧氣含量增加而減小.如前面的分析類似, 高的α值會使得等離子體參數(shù)升高.所以, 等離子體參數(shù)隨著氧氣含量增加而降低.增大峰值電壓, 電子溫度和電子密度變化趨勢和DBD射流的結(jié)果一致[36].我們分析認(rèn)為可能是隨著峰值電壓增加, 上游DBD會產(chǎn)生更多光子, 從而導(dǎo)致下游的等離子體羽通過光致電離產(chǎn)生更多的種子電子, 種子電子的作用相當(dāng)于增大了α值, 這會導(dǎo)致放電的等離子體參數(shù)隨著峰值電壓增加而增加.

圖6 譜線強度比和分子振動溫度沿空間位置(a)、隨氧氣含量 (b) 和電壓峰值 (c) 的變化Fig.6.Intensity ratio of spectral lines and vibration temperature as a function of Y coordinate (a), oxygen concentration (b) and peak voltage (c).

眾所周知, 含氧活性粒子(如氧原子、羥基、臭氧等)對等離子體醫(yī)療應(yīng)用具有非常重要的作用[2], 因此基于光化線強度法對氧原子濃度進(jìn)行了研究.原子自發(fā)輻射的譜線強度取決于基態(tài)粒子數(shù)密度、電子能量分布函數(shù)以及電子激發(fā)該粒子的碰撞激發(fā)截面.光化線強度法表明, 通過一條氧原子譜線(λ)與氬原子譜線( λ′)的強度之比 ( Iλ/Iλ′)[37],可以得出氧原子的相對濃度值[30].根據(jù)光化線強度法[30]: O原子濃度 No由下面公式推導(dǎo)得出:

其中C為比例常量, NAr為氬原子數(shù)密度, Iλ為O原子譜線發(fā)射強度 , Iλ′為Ar原子譜線發(fā)射強度.如果合理選取譜線對, 使它們滿足條件λ ≈ λ′,這樣就有 kD(λ′) ≈ kD(λ) , 其中 kD(λ) 是探測設(shè)備的響應(yīng)系數(shù); QAr*是激發(fā)態(tài) A r*發(fā)射光子的量子效率, 當(dāng)λ ≈ λ′時QAr*≈ QO*, 那么(2)式的比例常量C可簡化為 C =Cλ′Ar/CλO, 其中 Cλ′Ar和 CλO分別反映激發(fā)態(tài)Ar原子和O原子的電子碰撞截面在閾值能附近的性質(zhì).在O原子的光化線強度測定中, O原子的發(fā)射譜線λ = 844.6 nm的輻射,其閾值能為15.0 eV, Ar原子譜線 λ′= 750.4 nm,其截面閾值能是13.5 eV, 與O原子的閾值能接近, 因此C可近似為1.分析發(fā)現(xiàn)5.0 L/min(約合11 m/s)的流量下氣體流動狀態(tài)為層流模式, 相關(guān)模擬結(jié)果給出在層流模式下由于空氣擴散導(dǎo)致氬原子摩爾分?jǐn)?shù)變化是非常小的[38], 因此可以視氬原子數(shù)密度為一個固定的值, 即 NAr沿著氣流是均勻分布的.與之類似, 氬氣中摻入少量氧氣, 氬原子數(shù)密度幾乎不受影響.在這種情況下O原子濃度可由O原子844.6 nm的譜線(3p3P—3s3S躍遷)與Ar原子750.4 nm譜線(2p1—1s2躍遷)的強度比來表征.

因此, 利用氧原子844.6 nm的譜線(3p3P—3s3S躍遷)與氬原子750.4 nm譜線(2p1—1s2躍遷)的強度比, 可以反映氧原子濃度的變化規(guī)律.利用空間分辨的發(fā)射光譜, 可以研究氧原子濃度的空間分布, 結(jié)果如圖7所示.結(jié)果表明, 氧原子濃度沿著氣流方向先增加后減小.通過測量等離子體羽總的發(fā)射光譜, 可以獲得等離子體羽中平均氧原子濃度隨著工作氣體中氧氣含量的變化關(guān)系, 可見其隨氧氣濃度的增加先增加后減小.此外, 氧原子濃度隨著Vp的增加而增大.

圖7 844.6 nm與750.4 nm譜線的強度比沿Y軸(a)及隨氧氣含量(b)和電壓峰值(c) 的變化規(guī)律Fig.7.Intensity ratio of spectral lines (844.6 nm to 750.4 nm) as a function of Y coordinate (a), oxygen concentration (b) and peak voltage (c).

氧原子的主要生成反應(yīng)為: O2+e→O-+O[39].可見氧原子濃度與工作氣體中氧分子密度及等離子體的化學(xué)活性有關(guān).我們認(rèn)為高活性(高電子溫度、高振動溫度和高電子密度)的等離子體, 會導(dǎo)致高濃度氧原子生成.如前所述, 隨著距離的增加,電子溫度和電子密度均先增加后減小, 其變化與氧原子濃度的變化一致.因此, 剛開始隨著離噴口距離的增加, 等離子體化學(xué)活性增大, 導(dǎo)致氧原子濃度增大.其后, 隨著等離子體活性的降低, 氧原子濃度也減小.直接改變工作氣體中的氧氣含量, 一方面會增大參與反應(yīng)的氧分子濃度, 導(dǎo)致生成的氧原子濃度增大.但另一方面, 氧分子是電負(fù)性的,易于吸附電子生成負(fù)離子, 這種因素會降低等離子體的化學(xué)活性, 導(dǎo)致生成的氧原子濃度降低, 在兩種因素的共同作用下等離子體羽中氧原子濃度隨著氧氣含量的增加先增加后減小.如前所述, 隨著交流電壓峰值的增大, 等離子體的化學(xué)活性增大,導(dǎo)致生成的氧原子數(shù)也增多.因此, 氧原子濃度隨著電壓峰值增加而增加.

4 結(jié) 論

采用三電極介質(zhì)阻擋放電裝置, 在交流電壓與負(fù)偏置電壓的共同作用下, 產(chǎn)生了面積為50.0 mm ×40.0 mm的大尺度刷形等離子羽.放電的電壓和發(fā)光信號波形表明交流電壓的每個周期放電一次, 且放電出現(xiàn)于外加電壓的正半周期.隨著交流電壓峰值的增加, 放電脈沖的持續(xù)時間增加且脈沖強度增強.高速影像研究表明: 視覺均勻的等離子體羽是由分叉流光的時間疊加構(gòu)成.隨著交流電壓峰值的升高, 單個微放電絲分叉?zhèn)€數(shù)增多, 且放電橫向尺度也增大.通過測量300—850 nm的發(fā)射光譜, 發(fā)現(xiàn)譜線包括308.0 nm處的OH (A2Σ+— X2Π)、N2(C3Πu— B3Πg)的第二正帶系, Ar I (4p—4s)及844.6 nm處的O I (3p3P—3s3S).利用發(fā)射光譜研究了等離子體參數(shù)沿著氣流的空間分布及它們隨著氧氣含量和峰值電壓的變化.利用光化線強度法, 研究了等離子體羽中氧原子濃度的變化, 結(jié)果發(fā)現(xiàn): 氧原子濃度沿氣流方向先增加后降低, 隨工作氣體中氧氣含量的增加同樣是先增加后降低.此外, 氧原子濃度隨交流電壓峰值的增大而增加.