基于連續(xù)譜的氬氣納秒脈沖放電中電子溫度的研究

陳傳杰，樊永勝，方忠慶，王媛媛，孔維賓，周 鋒*，王如剛

1. 鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051 2. 鹽城工學(xué)院光電信息技術(shù)研究所，江蘇 鹽城 224051 3.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051

引 言

大氣壓納秒脈沖放電(nanosecond pulsed discharge, NPD)可以在極短的時(shí)間內(nèi)在驅(qū)動(dòng)電極上施加數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)伏的電壓，從而能夠在放電間隙獲得很高的約化電場(chǎng)強(qiáng)度[1]。在強(qiáng)約化電場(chǎng)作用下，放電會(huì)產(chǎn)生大量的高能電子，這不僅可以有效地生成活性基團(tuán)，而且能夠抑制中性氣體被過(guò)度加熱。NPD是最為典型的低溫等離子體之一，其非平衡特征表現(xiàn)為等離子體中各種粒子的各種運(yùn)動(dòng)自由度之間處于非平衡的狀態(tài)，其中最顯著的是電子溫度遠(yuǎn)高于中性氣體溫度(Te?Tg)[2]。因此，NPD被廣泛應(yīng)用于輔助燃燒、 生物醫(yī)學(xué)、 材料制備、 表面改性和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[3]。

不同的低溫等離子體應(yīng)用對(duì)于放電狀態(tài)參數(shù)的要求不盡相同，其中包括氣體溫度、 電子密度和溫度以及活性粒子密度，等等[3]。電子溫度是衡量等離子體中電子能量的物理量，而電子又是等離子體中最活躍的組分，它直接或間接決定著絕大部分的物理化學(xué)過(guò)程。光譜是等離子體診斷最為常用的手段之一，其中電子溫度的診斷方法大致有： (1)玻爾茲曼斜率法[4]； 由于氣體放電中處于高能級(jí)的原子或離子的激發(fā)與退激發(fā)平衡過(guò)程由電子碰撞主導(dǎo)，所以高能級(jí)激發(fā)態(tài)粒子趨于玻爾茲曼平衡分布，其激發(fā)溫度可以表征高能電子的能量分布特征。當(dāng)服從麥克斯韋分布時(shí)，激發(fā)溫度近似等于電子溫度； (2)碰撞輻射模型法[5]是通過(guò)建立粒子的碰撞和輻射模型，從而確立激發(fā)態(tài)粒子譜線強(qiáng)度與電子溫度之間的關(guān)系； (3)連續(xù)譜法[6]； 由于等離子體中的連續(xù)譜主要來(lái)自電子與中性粒子或離子的軔致輻射以及電子與離子的復(fù)合輻射過(guò)程，所以連續(xù)譜是電子密度和溫度的函數(shù)。通過(guò)考察連續(xù)譜可以確定放電中的電子溫度； (4)湯姆遜散射技術(shù)是一種主動(dòng)式的光譜診斷方法[7]，獲得主體(低能)電子的特征能量，并在熱平衡分布條件下近似等于電子溫度。其中，(1)—(3)屬于發(fā)射光譜法，具有無(wú)擾動(dòng)、 設(shè)備造價(jià)相對(duì)較低、 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)NPD中電子溫度的診斷研究，Huang等[5]在氦氣放電中通過(guò)建立碰撞輻射模型來(lái)確定電子溫度與氦氬原子譜線強(qiáng)度比值之間的關(guān)系，得到了等離子體中的電子溫度約為1.5～2.2 eV。Roettgen等[8]利用湯姆遜散射法研究了100～200 Torr氣壓下氦氣NPD中電子溫度和密度的時(shí)空分布特征。本文采用了針-針的電極結(jié)構(gòu)和氬氣為工作氣體，通過(guò)施加過(guò)電壓產(chǎn)生可以穩(wěn)定重復(fù)的大氣壓納秒脈沖放電，提出了基于連續(xù)譜的診斷方法來(lái)研究脈沖放電過(guò)程中電子溫度的時(shí)間演化，進(jìn)而評(píng)估NPD的非平衡狀態(tài)，并結(jié)合光譜特性定性分析了脈沖放電的物理過(guò)程。最后，還深入探討了納秒脈沖放電中連續(xù)譜診斷法的相關(guān)問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

圖1(a)是本實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。大氣壓納秒脈沖放電采用非對(duì)稱的金屬針電極結(jié)構(gòu)(上電極φ1.0 mm，下電極φ3.2 mm)，其中上電極連接高壓納秒脈沖電源(NPG-18/3500，Megaimpulse)，下電極通過(guò)一個(gè)72.5 Ω電阻接地，避免放電擊穿后電路發(fā)生短路[9]。脈沖電源的調(diào)制頻率為300 Hz。金屬針采用鎢材料，兩者間距約為4.2 mm。為了防止外界空氣干擾純氬氣放電，實(shí)驗(yàn)將整個(gè)放電系統(tǒng)設(shè)置在尺寸為15 cm×15 cm×15 cm的密封腔室中。放電腔室連通有三個(gè)進(jìn)出氣口，分別為載氣進(jìn)氣口，出氣口和抽氣口。載氣進(jìn)氣口連接著質(zhì)量流量控制計(jì)(MKS GE50A)和高純氬氣源(99.999%)。出氣口安裝有單向的壓力控制閥，用于排出腔室中的氣體來(lái)保證大氣壓強(qiáng)并防止空氣進(jìn)入。抽氣口連接一個(gè)機(jī)械真空泵(nXDS Edwards)。在每次放電前，重復(fù)充入和抽出工作氣體三次以上，達(dá)到清洗腔室的目的。

電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)包括高壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Pearson electronics 2878)，其中高壓探頭連接到上電極，電流探頭位于電阻與接地之間，并都連接到數(shù)字示波器上(RIGOL DS1204B)。本實(shí)驗(yàn)中的電流信號(hào)僅包含傳導(dǎo)電流，而位移電流可以忽略不計(jì)。將納秒脈沖電源連接到一個(gè)自制的真空電容上，通過(guò)測(cè)量其電壓與電流信號(hào)，并根據(jù)i=Cdu/dt關(guān)系確定兩個(gè)探頭(包括同軸連接線)之間的延遲時(shí)間[9]。圖1(b)是經(jīng)校正的納秒脈沖放電中電壓與電流的波形圖。

光譜測(cè)量系統(tǒng)是由光學(xué)透鏡和光譜儀組成。放電產(chǎn)生的光透過(guò)放電腔室上的石英介質(zhì)窗口，經(jīng)透鏡成1∶1的像耦合到單色儀的狹縫中。光信號(hào)經(jīng)過(guò)單色儀分光(Andor Shamrock 303i，配備150，1 800和2 400 g·mm-1光柵)，將光譜成像在側(cè)出口的ICCD(Andor iStar DH340T-25U-3)上并進(jìn)行記錄。ICCD與納秒脈沖電源的觸發(fā)同步由信號(hào)發(fā)生器(Tektronix AFG2021)進(jìn)行控制。本實(shí)驗(yàn)采用消色差三合透鏡(UV-NIRf=90 mm, Edmund Optics)來(lái)消除成像色差。由標(biāo)準(zhǔn)光源(Energetiq EQ-99 LDLS)確定整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)光譜靈敏度，即光源的實(shí)驗(yàn)光譜與其標(biāo)準(zhǔn)輻射譜的比值。

圖1 大氣壓針-針納秒脈沖放電(a)： 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖； (b)： 電壓和電流波形圖Fig.1 Atmospheric pressure pin-pin nanosecondpulsed discharges(a)： Schematic of experimental setup; (b)： Waveforms of voltage and current

1.2 連續(xù)譜輻射模型

等離子體放電中的連續(xù)譜主要來(lái)源于電子與中性粒子、 離子的軔致輻射以及電子與離子的復(fù)合輻射[6]。在大氣壓條件下，由于中性粒子數(shù)密度較大，所以大氣壓放電的連續(xù)譜大部分來(lái)自電子與中性粒子的軔致輻射[10]，其輻射強(qiáng)度表示為[6]

(1)

式(1)中，ne和na分別為電子和中性粒子數(shù)密度，Qea為電子與中性粒子軔致輻射的碰撞截面，f(E)為電子能量分布函數(shù)。在模型中，電子服從麥克斯韋分布

(2)

將式(2)代入(1)式中，整理得到

(3)

圖2是不同電子溫度條件下300～800 nm的歸一化連續(xù)譜。隨著電子溫度的增加，短波長(zhǎng)的連續(xù)輻射強(qiáng)度增加，但是變化幅度卻不斷減小。當(dāng)Te>1 eV，連續(xù)譜對(duì)電子溫度響應(yīng)最為敏感的波長(zhǎng)范圍在300～400 nm。雖然NPD中較高的電子密度(～1016cm-3)會(huì)導(dǎo)致其他兩個(gè)輻射過(guò)程增強(qiáng)，但是Park等[10]研究表明在p=760 Torr，ne/na～10-3，Te≥1 eV時(shí)，εea對(duì)連續(xù)譜的貢獻(xiàn)仍然是主要的。

圖2 不同電子溫度條件下歸一化連續(xù)輻射譜Fig.2 The normalized continuum radiation spectrafor different electron temperatures

2 結(jié)果與討論

從圖1(b)可知，脈沖放電的持續(xù)時(shí)間約為20 ns。圖3是不同時(shí)刻的發(fā)射光譜，其發(fā)光強(qiáng)度由光譜相對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行了校正。光譜中包含有氬原子譜線(Ar(5p-4s)和Ar(4p-4s))和連續(xù)譜，而其他雜質(zhì)分子(如N2和OH)的譜帶可以忽略不計(jì)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)譜的輻射強(qiáng)度隨著時(shí)間先增加后減?。害?0 ns>ε5 ns≈ε15 ns>ε20 ns。根據(jù)式(3)可知，連續(xù)譜輻射強(qiáng)度與電子密度成正相關(guān)。因此，在t<10 ns時(shí)，電子密度迅速增加，而t>10 ns則開(kāi)始減少。根據(jù)放電傳導(dǎo)電流與電子密度成正比，從電流波形圖1(b)中也可以驗(yàn)證電子密度具有上述的變化規(guī)律。然而，氬原子的譜線強(qiáng)度隨著時(shí)間(0

圖4是利用連續(xù)輻射模型來(lái)研究不同時(shí)刻的氬氣納秒脈沖放電中的電子溫度。結(jié)果表明，當(dāng)0

圖3 不同時(shí)刻下的大氣壓氬氣納秒脈沖放電的發(fā)射光譜

在t=5～10 ns放電階段，連續(xù)譜法得到電子溫度約為(1.4±0.2) eV，如圖4(b)所示。當(dāng)t>10 ns時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的下降，電子溫度開(kāi)始從1.4 eV減小到0.9 eV，如圖4(c, b)所示。當(dāng)t>20 ns時(shí)，脈沖放電處于復(fù)合狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)無(wú)法獲取高信噪比的連續(xù)譜(圖3)。

根據(jù)上述電子溫度和密度的變化規(guī)律，我們分析認(rèn)為在t≤10 ns過(guò)程中，激發(fā)態(tài)氬原子主要產(chǎn)生于電子與基態(tài)氬原子的碰撞激發(fā)過(guò)程[11]

e+Ar→e+Ar*

(R1)

因此，激發(fā)態(tài)氬原子密度隨著電子密度的增加而增加。當(dāng)t>10 ns時(shí)，隨著電子溫度和密度減小，激發(fā)態(tài)原子則主要產(chǎn)生于電子與離子的復(fù)合過(guò)程[11]

(R2)

將0.5%的水蒸氣添加到氬氣中，觀察OH(A-X, 0-0)的發(fā)射光譜如圖5所示。研究發(fā)現(xiàn)，OH(A,ν′=0)的振轉(zhuǎn)分布不服從玻爾茲曼平衡分布。Bruggeman等[12]研究認(rèn)為OH(A)的能級(jí)分布與其產(chǎn)生損失過(guò)程密切相關(guān)。在氬氣放電中，OH(A)有如下的產(chǎn)生過(guò)程[12]

e+H2O→OH(A)+H+e

(R3)

e+OH(X)→OH(A)+e

(R4)

e+H2O+→OH(A)+H

(R5)

e+H3O+→OH(A)+2H(or H2)

(R6)

Arm+OH→OH(A)+H

(R7)

Ar++H2O→OH(A)+ArH+

(R8)

在大多數(shù)情況下，OH(A)不是由電子碰撞基態(tài)OH(X)激發(fā)產(chǎn)生(R4)，而是由電子與H2O+，H3O+復(fù)合生成(R5，R6)以及其他能量轉(zhuǎn)移過(guò)程(R7，R8)[12]。因此，OH(A)的振轉(zhuǎn)分布往往處于非熱平衡態(tài)。

圖4 不同時(shí)刻下的氬氣納秒脈沖放電中實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算的連續(xù)譜(a)： 5 ns； (b)： 10 ns； (c)： 15 ns； (d)： 20 nsFig.4 The experimental and theoretical calculated continuum spectraof nanosecond argon discharges at different times(a)： 5 ns； (b)： 10 ns； (c)： 15 ns； (d)： 20 ns

圖6是Ar和Ar+0.5% H2O納秒脈沖放電的發(fā)射光譜。從圖中明顯看出，在短波長(zhǎng)(λ<450 nm)部分，Ar+0.5% H2O放電的連續(xù)譜強(qiáng)度明顯大于Ar放電的，而在λ>450 nm，兩者的連續(xù)譜強(qiáng)度分布則完全相同。因此，本文認(rèn)為水蒸氣的加入對(duì)放電中電子溫度的影響是很小的。

圖5 大氣壓Ar+0.5% H2O納秒脈沖放電中的OH(A-X)實(shí)驗(yàn)光譜與理論光譜

圖6 大氣壓納秒脈沖放電在Ar和Ar+0.5%H2O中的發(fā)射光譜Fig.6 Emission spectra of nanosecond pulsed dischargesin atmospheric pressure Ar and Ar+0.5% H2O

(R9)

(R10)

H2的特征連續(xù)譜在120～600 nm。這與圖6中實(shí)驗(yàn)觀察到的連續(xù)譜強(qiáng)度分布基本吻合。

從圖2可知，當(dāng)Te>1 eV時(shí)，連續(xù)譜強(qiáng)度分布隨電子溫度的響應(yīng)變化主要表現(xiàn)在其短波長(zhǎng)部分。當(dāng)氬氣中含有少量的水蒸氣時(shí)，分解形成的H2對(duì)連續(xù)譜在短波長(zhǎng)部分的貢獻(xiàn)是不可忽略的，這將對(duì)運(yùn)用連續(xù)譜獲取準(zhǔn)確的電子溫度帶來(lái)很大的影響。

3 結(jié) 論