直流電壓激勵(lì)單電極氬氣射流陣列的放電模式

許慧敏，賈鵬英，冉俊霞，武珈存，李雪辰*

(1.河北金融學(xué)院大數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071051；2.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

大氣壓氣體放電能產(chǎn)生富含多種活性粒子的等離子體[1]，其氣體溫度接近室溫[2-4]。因此，大氣壓氣體放電在諸如材料生長[5-6]、表面改性[7-9]、半導(dǎo)體刻蝕[10]，殺菌消毒[11-14]、污染物降解[15-16]、臭氧生成[17]、促進(jìn)傷口愈合等多個(gè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

大氣壓等離子體射流通過工作氣體的流動，能夠在電極區(qū)的下游產(chǎn)生低溫等離子體羽，從而擺脫了電極間隙對待處理材料尺度的限制[18]。射流的電極結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但通常都包含一個(gè)電介質(zhì)管，至少在管內(nèi)或者管外有一個(gè)電極[18]。電介質(zhì)管中流動有惰性氣體或者惰性氣體與少量載氣的混合氣體，從而在其下游產(chǎn)生等離子體羽[19]。等離子體羽雖然通?？雌饋硎且粋€(gè)連續(xù)的圓柱狀[20-21]，但它事實(shí)上對應(yīng)流光傳播過程[22-27]。如果流光沿著直線傳播，其流光頭表現(xiàn)為高速的等離子體子彈，其速度量級可達(dá)108cm/s[28-30]。除了圓柱狀等離子體羽，當(dāng)流光受到空間電荷作用時(shí)會產(chǎn)生偏折，從而會產(chǎn)生蛇形等離子體羽[31]。鑒于流光的不同傳播行為，還觀察到了明暗分段的等離子體羽[32]，空心等離子體羽[33]，腫脹等離子體羽[25,34]，和絲加暈等離子體羽等[26]。等離子體羽的形貌雖然多種多樣，但其直徑通常很小，僅有亞毫米到毫米量級[35]。因此，利用單一射流很難實(shí)現(xiàn)材料的大尺度高效處理。

為了增加等離子體處理的面積，可以將等離子體射流組合在一起形成等離子體射流陣列[36-39]。對于氦氣射流，曹等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)射流間距較小時(shí)，射流間會產(chǎn)生耦合從而導(dǎo)致某些等離子體羽熄滅[40]。此外，由于等離子體羽間的靜電斥力，等離子體羽會發(fā)生偏折[41-42]。模擬結(jié)果表明氦氣射流間的相互作用除了靜電斥力，還有氦氣通道間的流體力學(xué)影響，以及放電發(fā)光導(dǎo)致的光致電離影響[43]。邵濤等人的研究結(jié)果表明，通過在氦氣中摻入少量氧氣，在一定程度上抑制了等離子體羽偏折[44]。與氦氣射流陣列類似，氬氣射流陣列也觀察到了等離子體羽的偏折現(xiàn)象[45]。所不同的是，氬氣射流陣列的偏折要小一些[46]。該結(jié)論也得到了模擬驗(yàn)證[47]。此外，對于氬氣射流陣列，研究了電壓峰值和氣體流量[48]，射流噴口離地電極距離和脈沖頻率[49]，電極結(jié)構(gòu)[38,50]對偏折角度的影響。總之，由于射流陣列中等離子體羽間的相互作用，射流陣列很難產(chǎn)生大尺度的彌散等離子體羽。

針對于此，本文利用直流電壓激勵(lì)單電極氬氣射流陣列，產(chǎn)生了大尺度均勻等離子體羽。研究發(fā)現(xiàn)，等離子體陣列存在著兩個(gè)放電模式(分立模式和均勻模式)。利用電學(xué)、光學(xué)和光譜學(xué)手段對兩種放電模式的放電特性和機(jī)制進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

圖1給出了實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。其中，放電裝置主要包含兩個(gè)注射針和一個(gè)矩形氣道。內(nèi)徑和外徑分別為0.6 mm和0.9 mm的兩個(gè)注射針間隔15 mm平行放置在矩形氣道中并且針的頂端與氣道口平齊。石英矩形氣道的長度為60 mm，其內(nèi)外橫截面積分別為1.0 mm×15.0 mm 和3.0 mm×20.0 mm。氬氣在氣體質(zhì)量流量計(jì)(Sevenstar SC200A)的控制下，以相同的流量(Qj)通入兩個(gè)注射針。空氣在氣體質(zhì)量流量計(jì)(Sevenstar SC200A)控制下，以流量Qp沿著矩形氣道流動。一個(gè)注射針通過限流電阻(R=100 kΩ)后與直流電源(Glassman,KR20R150)的高壓輸出端相連，另一個(gè)注射針接地。利用高壓探頭(Nanrui NRV-60)來測量兩針電極之間的氣隙電壓(Vg)。利用電流探頭(Tektronix TCP312A)測量放電電流。在不通入氬氣的情況下，空氣流中不會形成等離子體，即放電回路中沒有電流。因此定義該情況下Vg為理想電源電壓(Vi)。使用光電倍增管(PMT)(ET 9130/100B)來測量放電總的發(fā)光信號。利用示波器(Tektronix DPO4104)同步顯示并記錄電壓、電流和發(fā)光信號的波形。放電照片使用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 5D)來記錄。高速錄像機(jī)(Cooke,Pco.dimax HD)可以最小曝光時(shí)間為1 μs的情況下連續(xù)記錄放電過程。增強(qiáng)型電荷耦合器件(ICCD)(Andor DH334T)最小曝光時(shí)間可達(dá)納秒量級。此外，等離子體的氣體溫度通過光纖測溫儀測量得到[51]，光纖測溫儀可以測量的溫度范圍是-40 ℃到150 ℃，分辨率為0.1 ℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

圖2給出了在不同理想電源電壓情況下的放電照片。隨著Vi的增加(達(dá)到6.0 kV時(shí))，放電在兩個(gè)針的尖端出現(xiàn)，其中陽極附近放電很小。隨著電壓增加到7.0 kV，等離子體射流陣列的下游形成兩個(gè)分立的等離子體羽，靠近陽極的等離子體羽(陽極羽)要比靠近陰極的等離子體羽(陰極羽)長的多。陰極羽和陽極羽的長度都隨著電壓的增加而增加(Vi=10 kV所示)。隨著Vi進(jìn)一步的增加，兩個(gè)分立的等離子體羽合并形成一個(gè)片狀空氣等離子體羽。并且在氣道管口附近存在著一個(gè)沒有等離子體的區(qū)域。此外，片狀等離子體羽的長度也隨著電壓的增加而增加。總之，等離子體射流陣列存在著兩個(gè)放電模式：分立羽和片狀羽。隨著Vi增加，放電會從分立羽過渡為片狀羽。

圖2 不同理想電壓下的放電照片，曝光時(shí)間為100 ms。A代表陽極,C代表陰極。Qj=300 mL·min-1；Qp=10 L·min-1。

圖3顯示了片狀等離子體羽的長度隨著Vi、氬氣流量以及空氣流量的變化。很明顯，片狀等離子體羽的長度除了隨著理想電源電壓的增加而增加之外，還隨著空氣流量(Qp)和射流中氬氣流量(Qj)的增加而增加。需要指出的是，當(dāng)Qj小于100 mL·min-1的時(shí)候，不能形成片狀等離子體羽。在我們實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，所能形成的等離子體羽最大長度可達(dá)約40 mm，要比片狀氬氣等離子體羽長[52]。

理想電壓/kV

氬氣流量/L·min-1

空氣流量/L·min-1

圖4給出了Vi、Vg、放電電流以及等離子體羽發(fā)光信號的波形。通過波形可以發(fā)現(xiàn)，分立的等離子體羽Vg是不隨時(shí)間變化的，而放電電流以及等離子體羽的發(fā)光信號都是間歇性的脈沖。從圖4(a)的放大部分可以看出，每個(gè)放電脈沖都具有兩個(gè)峰。通過兩個(gè)PMT分別采集分立羽的發(fā)光信號發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)峰對應(yīng)陰極羽的發(fā)光信號而第二個(gè)峰對應(yīng)陽極羽的發(fā)光信號。隨著電壓增加到10 kV，波形與7.0 kV時(shí)類似，Vg也是不隨時(shí)間變化的。但是放電電流和等離子體羽發(fā)光信號的每個(gè)放電脈沖只有一個(gè)峰。脈沖的頻率隨著Vi的增加而增加。對于片狀等離子體羽，Vg、放電電流和等離子體羽的發(fā)光信號都是間歇性的脈沖。每個(gè)脈沖期間，Vg突然減小同時(shí)放電電流突然增加到達(dá)極大值，隨后電流逐漸減小并且Vg逐漸恢復(fù)。此外，片狀等離子體羽的脈沖頻率也隨著Vi的增加而增加，但是其頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分立等離子體羽的脈沖頻率。從圖4(c)和圖4(d)的放大部分可以看出，除了這些主要的放電脈沖之外，在其中間還有一些類似于圖4(b)中小的放電脈沖出現(xiàn)。這意味著，片狀羽在主放電的間歇期會存在著分立羽，這一結(jié)論在后面的高速錄像結(jié)果會得以證實(shí)。

圖4 理想電壓、氣隙電壓、放電電流和發(fā)光信號波形。理想電壓分別為7 kV(a),10 kV(b),14 kV(c)和16 kV(d)

首先，利用ICCD對分立羽的形成機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖5所示。陽極羽在曝光時(shí)間大于10 μs時(shí)，放電照片為連續(xù)的，并且長度幾乎不變。只是亮度隨著曝光時(shí)間減小而減弱。當(dāng)曝光時(shí)間小到100 ns之后，拍攝到了分立的等離子體子彈。一般認(rèn)為等離子體子彈的產(chǎn)生源于流光放電機(jī)制[53]，所以陽極羽可能是流光放電機(jī)制。對于陰極羽，雖然發(fā)光強(qiáng)度隨著曝光時(shí)間減小而減弱，但即使曝光時(shí)間減小為10 ns，此時(shí)雖然照片已經(jīng)曝光不足，但仍然沒有發(fā)現(xiàn)等離子體子彈。這表明陰極羽的機(jī)制與陽極羽不同，應(yīng)該是湯森放電機(jī)制。

圖5 不同曝光時(shí)間下分立羽的ICCD照片。陽極羽(a)-(e)；陰極羽(f)-(j)。曝光時(shí)間標(biāo)注在每張照片上

為了揭示片狀等離子體羽的形成機(jī)制，利用高速錄像機(jī)對片狀等離子體羽的時(shí)空演化進(jìn)行了研究，如圖6所示。0 ms時(shí)，陽極下游可以發(fā)現(xiàn)較長的陽極羽，而在陰極下游出現(xiàn)的陰極羽要比陽極羽短多。0.5 ms時(shí)，陰極羽變長，于此同時(shí)，一個(gè)正流光從陽極羽的末端向陰極羽的末端發(fā)展。這表明陽極羽和陰極羽之間存在強(qiáng)烈的相互作用。在1.0 ms時(shí)，正流光到達(dá)陰極羽，形成一個(gè)拱形的微放電絲。所以，片狀等離子體羽的擊穿機(jī)制對應(yīng)流光放電機(jī)制。在流光擊穿以后會產(chǎn)生明亮的微放電絲。從微放電絲陰極附近的放大圖能夠發(fā)現(xiàn)低電壓輝光放電的特征區(qū)域，包括負(fù)輝區(qū)(NG)、正柱區(qū)(PC)、以及在它們之間出現(xiàn)的法拉第暗區(qū)(FDS)。這些低電壓輝光放電的特征區(qū)域的存在證實(shí)微放電絲處于輝光放電機(jī)制[54]。圖6表明微放電絲很長一段是電中性的正柱區(qū)。在正柱區(qū)電場作用下電子會向著陽極遷移，正離子向著陰極遷移。當(dāng)正離子到達(dá)陰極附近時(shí)會在陰極附近堆積，形成空間正離子。這些空間正離子會加強(qiáng)其與陰極之間的電場(陰極位降區(qū)電場)，使得正離子經(jīng)過該電場加速后有足夠能量碰撞陰極產(chǎn)生二次電子。二次電子經(jīng)過陰極位降區(qū)加速后引發(fā)電子雪崩，除了電離碰撞還會有激發(fā)碰撞，所以在此區(qū)域會有明亮的發(fā)光，即形成負(fù)輝區(qū)。絕大多數(shù)電子在負(fù)輝區(qū)經(jīng)過電離碰撞損失了其能量，所以當(dāng)電子運(yùn)動到負(fù)輝區(qū)的邊緣時(shí)，能量很低，電離和激發(fā)能力很弱，所以發(fā)光變暗，產(chǎn)生了法拉第暗區(qū)。微放電絲由兩個(gè)氬氣等離子體通道以及連接在它們之間的空氣等離子體通道組成。隨著時(shí)間的推移，空氣等離子體通道在空氣流的吹動下向下游移動。在3.5 ms時(shí)，如圖中圈出來的部分所示，一個(gè)新的擊穿事件出現(xiàn)，并且在4.0 ms時(shí)完全短路了原有的等離子體通道。可以推測，在2.0 ms到2.5 ms時(shí)也發(fā)生了類似的短路。需要指出的是，短路隨機(jī)發(fā)生在放電絲的兩側(cè)。在5.5 ms時(shí)，放電絲達(dá)到了最大長度，隨后亮度變暗，逐漸消失。需要指出的是，陰極附近輝光放電的特征區(qū)域一直存在，直到放電絲的消失。這表明在此過程中放電絲一直處于輝光放電機(jī)制。在6.0 ms時(shí)，隨著放電絲的消失，分立的等離子體羽又出現(xiàn)，一直持續(xù)到下次放電絲的形成。這一結(jié)果表明放電絲對應(yīng)著圖4(c)和(d)的主放電，而主放電之間的小脈沖是由于分立羽造成的。

圖6 高速錄像機(jī)拍攝到的片狀等離子體羽(圖2(d))的時(shí)空演化。曝光時(shí)間為10 μs

圖7給出了片狀等離子體羽氣體溫度的空間分布。從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，片狀等離子體羽的溫度幾乎對稱分布，表現(xiàn)為中間低兩側(cè)高。從圖7(b)可以看出，沿著氣流方向，等離子體羽的氣體溫度逐漸增加，直至在等離子體羽的尾部達(dá)到飽和。等離子體羽的氣體溫度最大值約為65 ℃，這一溫度要遠(yuǎn)低于他人報(bào)道的空氣等離子體的氣體溫度[55]。

X/mm

Y/mm

一般來說，空氣擊穿電場值很高，達(dá)到32 kV/cm[56]。在這么高的電場下，電子雪崩發(fā)展很快，因此放電很容易過渡到弧光放電[55]。即大氣壓空氣放電的情況下很難獲得具有很低氣體溫度的等離子體。和空氣相比，氬氣具有較低的擊穿電場，因此氬氣在較低的電壓下首先達(dá)到擊穿條件，在陽極附近產(chǎn)生正流光，而陰極附近產(chǎn)生湯森放電。由于電子和正離子的質(zhì)量差距很大，在電場的作用下產(chǎn)生電荷分離，陽極羽的流光頭主要由正離子構(gòu)成，因此在陽極羽的尾部會堆積正電荷。而對于陰極羽，電子向著遠(yuǎn)離陰極的方向運(yùn)動，在陰極羽的尾部堆積負(fù)電荷?？梢缘弥帢O羽和陽極羽尾部之間的電場被增強(qiáng)。在這一增強(qiáng)電場的作用下，陰極羽尾部的電子向著陽極羽的末端加速，引發(fā)正流光向著陰極羽的末端發(fā)展。當(dāng)正流光達(dá)到陰極羽尾部時(shí)，會在空氣中產(chǎn)生一個(gè)弱離化通道從而最終導(dǎo)致空氣的擊穿，形成空氣等離子體通道。此時(shí)，等離子體的阻抗很低，氣隙間的電阻突然降低，導(dǎo)致Vg突然降低到最小值同時(shí)放電電流突然增加到最大值。假設(shè)等離子體的阻抗為Ri，電流(I)可以通過歐姆定律得到。

(1)

式中εp是電源電動勢，r是電路中其余部分的電阻。因此氣隙電壓Vg由下式可以得到：

(2)

由公式1和公式2可以看出，放電電流隨等離子體阻抗的增加而減小。Vg隨等離子體阻抗的增加而增加。因此，當(dāng)放電絲向下游移動時(shí)，隨著等離子體阻抗增加，氣隙電壓逐漸增加，放電電流逐漸減小。當(dāng)電場不足以維持空氣等離子體通道的放電時(shí)，放電絲就會熄滅。此后，隨著氣隙電壓的增加，電場逐漸恢復(fù)，直到滿足下一次的擊穿條件，放電重復(fù)進(jìn)行。

與滑動弧放電相比，該片狀等離子體具有更低的電子密度，因此等離子體阻抗更大。所以放電電流就會更低，導(dǎo)致產(chǎn)生較低的焦耳熱，所以片狀等離子體的氣體溫度很低。此外，流動的空氣也會為產(chǎn)生的等離子體降溫，導(dǎo)致較低的氣體溫度。因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下是由于熱不穩(wěn)定性，而導(dǎo)致的輝光放電向弧光放電的過渡。所以，溫度很低的片狀等離子體，能夠有效的抑制向弧光過渡，因此放電絲維持在輝光放電機(jī)制。

3 結(jié)論

本文利用單電極氬氣射流陣列，在流動空氣中產(chǎn)生了大氣壓片狀等離子體羽。研究結(jié)果表明，在較低Vi下，射流陣列下游產(chǎn)生分立等離子體羽。該分立等離子體羽的長度隨著Vi增加而增大，且最終過渡為片狀等離子體羽。研究發(fā)現(xiàn)，片狀等離子體羽長度隨著Vi、氬氣流量及空氣流量的增加而增長，最大長度可以達(dá)到約40 mm，長于現(xiàn)有報(bào)道的大氣壓片狀等離子體羽的長度。放電的電壓、電流和發(fā)光信號波形表明，分立等離子體羽的氣隙電壓為恒定的，而放電電流及發(fā)光信號為具有很高頻率的小脈沖。但片狀等離子體羽的氣隙電壓是周期性變化的，并且放電電流及發(fā)光信號為低頻率的大脈沖，在相鄰大脈沖之間存在著小脈沖。ICCD研究結(jié)果表明，陽極附近的分立等離子體羽中存在著等離子體子彈，因此其對應(yīng)著流光傳播過程。而陰極羽對應(yīng)著湯森放電機(jī)制。利用高速錄像機(jī)研究發(fā)現(xiàn)，片狀等離子體羽最初也對應(yīng)著分立等離子體羽，但陽極羽會向陰極羽發(fā)展產(chǎn)生空氣中的流光放電并最終轉(zhuǎn)化為輝光微放電通道。該輝光微放電通道在氣流作用下不斷向著下游移動。周期性的微放電通道產(chǎn)生及運(yùn)動，產(chǎn)生了時(shí)間均勻的片狀等離子體羽。光纖測溫儀研究表明，片狀等離子體羽的氣體溫度較低。此外，對兩種模式等離子體羽的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了定性分析。