氬氣等離子體羽從實心到空心的放電特性

尹增謙，武麗姣

(華北電力大學(xué) 數(shù)理系，河北 保定 071003)

大氣壓等離子體射流裝置能夠生成傳播到周圍大氣中的等離子體羽，因此等離子體中的大量活性物質(zhì)可以被輸送到與等離子體產(chǎn)生區(qū)分開的位置. 這一優(yōu)勢使得等離子體的應(yīng)用更廣，如表面改性[1]、水凈化[2]、污染物降解[3]、材料生長[4]等. 羽的長度有著十分重要的研究意義[5-7]，能夠產(chǎn)生大尺度等離子體羽的大氣壓等離子體射流在過去十幾年中受到了廣泛的關(guān)注. 目前在惰性氣體中普遍羽長可達(dá)到幾厘米[8-9]， Lu等[10]在氬氣中生成的等離子體羽長度可達(dá)11 cm. Li等[11]通過有著直流偏置電壓的第三電極提高了放電的長度性.

活性粒子的分布除了受羽長度的影響，還受到羽形狀的影響. 在不同的實驗參數(shù)下已經(jīng)做過相關(guān)研究[12-14]. 均勻球形羽已經(jīng)在射頻電壓激勵的氦射流中產(chǎn)生[15]. 隨著驅(qū)動頻率的增加，沿氦流方向球形羽變成均勻柱形羽[16]. 通常柱形羽呈現(xiàn)錐形頭[17]， 正弦電壓激勵生成不同的錐形頭，而通過脈沖電壓驅(qū)動生成了有著“V”型頭的柱形羽[7]. 普遍認(rèn)為，均勻柱形羽源自定向子彈的時間疊加[17-19]. 傳播過程從定向流光轉(zhuǎn)變到分叉流光，可以使得在正弦電壓激勵下產(chǎn)生杯形羽[11]. 對于氬氣射流，Li等[20]在較低正弦頻率激勵下發(fā)現(xiàn)等離子體羽呈現(xiàn)規(guī)律性的腫脹, 而在高頻率下他們發(fā)現(xiàn)等離子體羽的中心是一個亮絲，周圍是彌散的暈，也就是等離子體羽呈現(xiàn)絲加暈的結(jié)構(gòu)[21]. 總之，不同類型的施加電壓影響流光行為，流光行為又決定羽形狀. 以上提及的由對稱正弦電壓激勵產(chǎn)生的所有彌散羽都是實心的.

本文用偏置正弦電壓激勵大氣壓氬氣等離子體射流，隨著偏置值的增加，所產(chǎn)生的羽從實心過渡到空心. 通過快速攝影結(jié)合電學(xué)、光學(xué)測量，研究了2種羽的放電特性.

1 實驗裝置

圖1是實驗裝置示意. 中間部位是內(nèi)外直徑分別為4.91 mm和8.22 mm的石英管，在其中央有一根長14.0 cm、直徑1.0 mm的鎢棒同軸固定. 鎢棒一端為半徑500 μm的尖端，其與石英管口平齊，鎢棒另一端與提供正弦電壓電源(TREK-20/20C)的高壓輸出端連接，且偏置正弦電壓Ub是可以調(diào)節(jié)的. 將玻璃板涂有氧化銦錫(ITO)的那面與尖端相距8.0 cm相對放置并接地. 實驗中通入氬氣(體積分?jǐn)?shù)99.999%)的流速為3.0 L/min. 2個電極間的施加電壓由高壓探頭(Tektronix P6015A)測得，放電總電流由電流探頭(Tektronix TCPA300)測得，等離子體羽的發(fā)光用石英透鏡聚焦后由光電倍增管(PMT) (ET 9130/100B)收集，三者一同記錄在示波器(Tektronix DPO4054)上. 此外，用數(shù)碼相機(Canon EOS7D)拍攝放電圖像. 用增強電荷耦合器件(ICCD) (Andor DH334T)研究放電的時間演化. 用配備了CCD (PI PIXIS 400B)的光譜儀(ACTON SP2750)收集光譜.

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

2 結(jié)果和討論

當(dāng)振幅和頻率為3.0 kV、1.8 kHz的正弦電壓施加在棒電極上時，在管口和板電極間就產(chǎn)生了等離子體羽. 如圖2a所示，Ub是-6.3 kV時，產(chǎn)生白色實心的羽. 如圖2a-d所示，實心羽的長度隨著Ub的增加而減小. 當(dāng)Ub達(dá)到約3.0 kV時，羽的顏色由白色變?yōu)樗{(lán)色，形貌由實心變?yōu)榭招?，如圖2e所示. 還可以看出，在棒電極端空心羽為狹窄的喇叭形，其后是空腔. 到管口的距離越遠(yuǎn)，空腔的直徑越小，并且尾部的等離子體羽是均勻的. 如圖2f和2h所示，空心羽的長度隨著Ub的增加而伸長，一直到接觸到平板電極. 圖2的右欄是管口下游1.0 cm處的側(cè)面照片. 正視圖與側(cè)視圖的結(jié)合能更清晰地說明實心羽到空心羽的過渡過程. 需要注意的是，側(cè)視圖與正視圖的比例存在差異，圖2e-h右欄的中心亮點是由于靠近棒電極的中心而產(chǎn)生的.

a.-6.3 kV;b.-4.5 kV;c.-1.5 kV;d.2.7 kV;e.3 kV;f.3.9 kV;g.5.4 kV;h.6.3 kV; texp=0.1 s.圖2 羽的正視圖(左側(cè))和側(cè)視圖(右側(cè))Fig.2 Front view (the left column) and side view (the right column) of the plume

圖3是不同偏置電壓下的外加電壓、放電電流和總發(fā)光信號的典型波形. 很明顯，圖3中展示的是電壓為一個周期的波形，在這個周期中只有單個放電脈沖，如圖3a放電脈沖出現(xiàn)在電壓的負(fù)半周期，對應(yīng)的是實心羽，如圖3b放電脈沖出現(xiàn)在電壓的正半周期，對應(yīng)的是空心羽. 換言之，實心羽和空心羽不是同時產(chǎn)生的. 還可以看到電流脈沖幾乎與發(fā)光脈沖同步，此外發(fā)光脈沖的寬度比電流脈沖大得多，這是流光放電熄滅后，在鎢棒電極末端持續(xù)較長時間放電造成的.

a.Ub = -6.3 kV;b. Ub = 6.3 kV.圖3 外加電壓、放電電流、總發(fā)光信號的波形Fig.3 Waveforms of the applied voltage, the discharge current, and the light emission from the plume

為研究形成實心羽的機理，對其進(jìn)行了快速攝影，如圖4所示. 0 μs時在棒電極尖端最先開始放電，從0 μs到0.7 μs放電體積快速增大. 在0.7 μs之后，放電逐漸沿著下游傳播，表現(xiàn)為負(fù)流光. 負(fù)流光是沿著氣流從噴口向著平板電極定向運動，所以是一種定向流光(子彈). 定向子彈在其傳播過程中留下了一條傳播軌跡. 在2.8 μs時，子彈傳播軌跡中出現(xiàn)暗區(qū)，只有正在傳播的子彈才發(fā)光. 隨后，其直徑隨著“胖”定向子彈的傳播而略微減小. 在5.6 μs時，子彈到達(dá)羽尾部然后熄滅. 除了氦射流中子彈傳播軌跡保持較短時間外，上面提到的所有現(xiàn)象都與脈沖電壓激勵氦射流的現(xiàn)象類似[22]. 流光熄滅后，在棒電極端附近(此處未顯示)放電持續(xù)較長時間， 這是因為棒電極端附近存在的強電場使得子彈傳播過程殘留的正離子加速，朝著陰極遷移并且撞擊陰極. 氦氣射流中未發(fā)現(xiàn)長時間放電，是由于射流裝置使得強電場區(qū)域消失[23-25]， 而且對于實心羽，負(fù)流光的平均傳播速度大約是4.6 km/s，這與文獻(xiàn)[26]報道的流光傳播速度具有相同的數(shù)量級.

Ub=-6.3 kV; texp=500 ns.圖4 實心羽的ICCD圖像Fig.4 ICCD images of the solid plume

與實心羽的開端相似，對于空心羽，在棒電極端最先產(chǎn)生正流光機制的定向流光. 如圖5所示，從0 μs到3 μs，正流光沿著氣流中心向板電極移動，并且在其后留下了一條傳播軌跡，類似于氦射流中定向流光的早期階段[25]. 在氦流中，子彈傳播軌跡只存在一段時間，然后變暗. 然而，流光頭保持較長時間的發(fā)光，這可能是不同的射流裝置引起的. 6.0 μs時，在氣流外圍有一些隨機分叉在發(fā)展，這意味著定向流光朝著分叉流光演變. 在24.0 μs時分叉流光移動到板陰極， 隨后熄滅但在棒電極端有著長時間放電，這個現(xiàn)象和實心羽的相似. 正流光的平均傳播速度經(jīng)計算為3.3 km /s，略比實心羽的小，這與之前的文獻(xiàn)報道一致[27]. 至此推出，正流光移動生成空心羽分為3個階段，剛開始是沿著氣流從噴口向著平板電極運動的定向流光，接著定向流光過渡到易于在氣流和空氣混合層移動的分叉流光，最后這種傾向逐漸消失，分叉流光在徑向隨機出現(xiàn).

Ub=6.3 kV; texp=50 ns圖5 空心羽的ICCD圖像Fig.5 ICCD images of the hollow plume

文獻(xiàn)[19]中提到，正流光前的種子電子產(chǎn)生二次雪崩，連續(xù)的雪崩實現(xiàn)了流光的傳播. 起初，正流光傾向于沿氣流的中心移動，因為那里的電場最強. 由于環(huán)境中的空氣會滲入到工作氣體中，使得氣流外圍的空氣占比大于中心的. 環(huán)境空氣滲入氬氣中導(dǎo)致的潘寧電離使得惰性氣體電離的電場閾值降低[28-29]. 另一方面由于雙極性擴散，放電生成的電子向氣流外圍遷移，同時被電負(fù)性粒子(如氧氣)附著，在外圍形成負(fù)離子，從而為后續(xù)的放電提供種子電子[29]. 因此，殘余負(fù)離子使得外圍氣體電離的電場閾值降低， 但是如果空氣含量太高，電場閾值將增加[30]. 由于外圍的空氣占比大，潘寧電離和殘余負(fù)離子的作用使得電場閾值降低，二次雪崩往往在外圍發(fā)生. 因此，正流光從管口向下游移動一段距離后，易于在外圍傳播. 同時，正流光由于施加的電場和空氣含量的空間分布的變化而分叉[11]. 當(dāng)周圍的場閾值減小劇烈時，分叉流光在徑向方向上隨機分布. 因而離管口越遠(yuǎn)空氣占比越大，沿氣流中心移動的定向流光過渡成在氣流外圍移動的分叉流光，最終成為隨機分布的流光.

由二次雪崩產(chǎn)生的自由電子在負(fù)流光形成的電場的作用下從流光尖端移動到板端， 但是正流光中的電場將自由電子往回拉，使其聚集. 所以，圖4中的負(fù)流光看起來胖，圖5中的正流光看起來較瘦. 不同的放電機制使得正流光要想傳播必須在流光前面存在種子電子，而對于負(fù)流光卻不是必須的. 換言之，種子電子在正流光的傳播中扮演重要角色. 因此，負(fù)流光不像正流光那樣傳播， 即負(fù)流光易于沿氣流中心傳播，而因為潘寧電離和殘余負(fù)離子的作用，在氣流外圍有更多的種子電子，使得正流光在沿氣流中心行進(jìn)短距離后開始在外圍傳播.

圖6表示300 ～800 nm的發(fā)射光譜. 除了觀察到N2(C3Πμ—B3Πg)發(fā)射線外，還可以觀察到與4p→4s躍遷相對應(yīng)的各種Ar I線[31]. 在圖7中研究了譜線強度比的分布(763～772 nm). 譜線的強度比和電子溫度有關(guān)[32-34]，電子溫度由電場確定.

從圖7a中可以發(fā)現(xiàn)，實心羽各個部位的電場值與到棒電極端的距離有關(guān)，在離棒電極端近的位置電場急劇增加，在較長的一段距離范圍內(nèi)電場幾乎保持恒定，最后減小，這與定向流光的發(fā)射階段，傳播階段和結(jié)束階段相符合[35]. 如圖7b所示，空心羽強度比的分布與實心羽的相似，棒電極端附近出現(xiàn)正斜率對應(yīng)啟動階段，羽尾部出現(xiàn)負(fù)斜率對應(yīng)結(jié)束階段. 然而在傳播階段譜線強度比不恒定，其首先減小，減小到最小值后增大. 這種現(xiàn)象是由于隨著距離的增加空氣含量增加. 當(dāng)遠(yuǎn)離棒電極端時，電場由于場閾值的減小而減小，并且在臨界空氣含量之后增大.

a.Ub= -6.3 kV;b.Ub=6.3 kV.圖7 沿氬羽不同位置763/772 nm強度比的分布Fig.7 Distributions of the intensity ratio (763/772 nm) along the argon flow

3 結(jié)論

改變Ub的值，產(chǎn)生了實心羽和空心羽2種等離子體羽.研究發(fā)現(xiàn)，隨著Ub值的增加實心羽長度減小.當(dāng)Ub大于3.0 kV，實心羽向著空心羽轉(zhuǎn)變，并隨著Ub值的增加羽伸長. 利用電學(xué)測量和光學(xué)測量手段，分別觀測了實心羽和空心羽每個放電電壓周期的放電脈沖. 利用快速攝影，觀察到一個“胖”定向子彈沿著氬流移動，這表明負(fù)流光與實心羽有關(guān). 然而空心羽中的正流光先是朝著板電極定向移動，隨后過渡到易于在氬流的外圍移動的分叉流光，最終分叉流光隨機出現(xiàn). 通過發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)實心羽的譜線強度比在棒電極端附近增加劇烈，在一段距離內(nèi)幾乎不變，最后降低，而空心羽的傳播階段譜線強度比不恒定. 基于潘寧電離和殘余負(fù)離子的作用，分析了所有的現(xiàn)象.