高重復(fù)頻率納秒脈沖放電特性

邵 濤，李帥康，黃邦斗，章 程

(1.中國科學(xué)院電工研究所，等離子體科學(xué)和能源轉(zhuǎn)化北京市國際科技合作基地，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

非平衡態(tài)等離子體中電子溫度和離子溫度相差較大，能夠促進一些常規(guī)條件下苛刻的化學(xué)反應(yīng)進行[1-2]。其電子能量較高，氣體溫度偏低，故不易對生物組織造成不利影響[3-4]故非平衡態(tài)等離子體在生物醫(yī)療[5-6]、表面改性[7]、能源轉(zhuǎn)化[8]、環(huán)境治理[9]、流動控制[10]、點火助燃[11]等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

等離子體產(chǎn)生方式較為多樣化，包括火花放電[12-13]、介質(zhì)阻擋放電[14-15]等?；鸹ǚ烹娮⑷氲降入x子體中的能量較高，產(chǎn)生的電子數(shù)量較多。大氣壓介質(zhì)阻擋放電更為彌散，相對更均勻，但放電功率相對較低。常見的驅(qū)動放電的高壓電源包括直流高壓電源、交流高壓電源、高壓脈沖電源[16]等。直流放電不能驅(qū)動介質(zhì)阻擋放電，交流高壓放電氣體溫度偏高。脈沖放電對負載要求較小，不存在負載匹配問題。

納秒脈沖放電由于上升時間較短，放電通常在超過10倍過電壓下的情況產(chǎn)生。但由于脈沖上升時間和半高寬極短，僅為納秒級，放電發(fā)展的時間極其有限，電子碰撞過程持續(xù)的時間相對較短，放電通道難以熱化，故碰撞出的電子總數(shù)較少，即電子密度較低。電子密度較低，平均約化場強較高，因而電子能量較高，易于產(chǎn)生高能逃逸電子，可產(chǎn)生快速電離波。同時，由于脈寬較窄，放電通道加熱時間在納秒級。放電通道熱化時間很短，難以發(fā)展成為平衡態(tài)等離子體。故納秒脈沖放電的氣體溫度偏低，放電更為彌散，適用范圍更為廣泛。但受限于脈寬較窄，單脈沖能量有限，如果脈沖重復(fù)頻率過低，產(chǎn)生的活性粒子數(shù)量有限。為解決這一困境，提高脈沖重復(fù)頻率勢在必行。國內(nèi)外研究人員也據(jù)此研制了許多脈沖電源。

納秒脈沖電源是產(chǎn)生納秒脈沖放電的基礎(chǔ)。性能優(yōu)異的納秒脈沖電源是當(dāng)前的研究熱點之一。納秒脈沖電源的重要參數(shù)包括輸出電壓幅值、上升時間、脈沖半高寬、脈沖重復(fù)頻率等。其中脈沖重復(fù)頻率和上升時間較為關(guān)鍵，在極大程度上影響著產(chǎn)生的非平衡等離子體的狀態(tài)參數(shù)。近年來，許多研究人員的研究成果提升了脈沖電源的各種參數(shù)性能?；谄齐A躍恢復(fù)二極管技術(shù)，以色列研究人員Merensky制作了上升時間短于1 ns，脈沖重復(fù)頻率高達1 MHz的重頻納秒脈沖電源，但其電壓幅值僅有2.2 kV[17]。金屬氧化物場效應(yīng)晶體管通斷速度較快，耐壓較高，可產(chǎn)生重復(fù)頻率較高的脈沖。重慶大學(xué)姚陳果等人據(jù)此研制了脈沖重復(fù)頻率可達10 MHz的脈沖電源，但其電壓幅值不到500 V[18]。韓國研究人員Kim等人據(jù)此研制了電壓幅值可達1.8 kV脈沖電源，其重復(fù)頻率可達1 MHz[19]。中科院電工所李帥康等人報道了輸出電壓幅值可達25 kV，連續(xù)運行重復(fù)頻率可達600 Hz的重頻納秒脈沖電源[16]。磁壓縮技術(shù)可產(chǎn)生電壓幅值較高的電壓脈沖。南京理工大學(xué)李凱等人基于磁壓縮技術(shù)研制了輸出電壓幅值可達70 kV的納秒脈沖電源，但受限于磁芯發(fā)熱，其重復(fù)頻率較低[20]。

脈沖重復(fù)頻率較高時，注入放電能量隨之增加。產(chǎn)生的等離子體能量較高。但重復(fù)頻率較高時，放電通道出現(xiàn)了熱化加重的現(xiàn)象。為產(chǎn)生較大規(guī)模的低溫等離子體，需了解其放電通道熱化現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。故開展高重頻納秒脈沖放電特性的研究具有重要的意義。本文使用重復(fù)頻率高壓脈沖驅(qū)動大氣壓火花放電，并研究其放電參數(shù)變化，分析放電狀態(tài)。使用光譜儀測量放電時的光譜，并計算放電時電子溫度隨脈沖重復(fù)頻率的影響。

1 實驗裝置

實驗裝置圖如圖1所示，使用自行研制的高重復(fù)頻率納秒脈沖電源驅(qū)動大氣壓火花放電[21]。電壓幅值為5 kV，脈沖上升時間為12 ns，空載情況下重復(fù)頻率1～100 kHz連續(xù)可調(diào)，火花放電時脈沖重復(fù)頻率在1 Hz～30 kHz連續(xù)可調(diào)。脈沖重復(fù)性較好，不同脈沖的各參數(shù)抖動較小，對實驗結(jié)果影響較小。放電時保持上升時間和脈寬不變，只改變脈沖重復(fù)頻率觀察重頻脈沖放電時的等離子體參數(shù)變化。

圖1 實驗裝置示意圖

使用針-針電極放電，電極間隙為1 mm，電極直徑為2 mm。由于放電在納秒級的時間尺度內(nèi)完成，故需使用高采樣率的示波器進行擊穿電壓和擊穿時延的觀測。使用高壓探頭(PINTECH P6028A)和示波器(LeCroy Wave Runner/WR204Xi 2 GHz)配合觀測放電電壓波形，使用羅氏線圈(Pearson 4100)和示波器配合觀測放電電流參數(shù)變化情況。使用光譜儀(復(fù)享光學(xué)PG2000-PRO-3)測量氬氣氣氛中的發(fā)射光譜，并使用玻爾茲曼圖法擬合電子溫度，探究電子溫度隨脈沖重復(fù)頻率的變化。

2 實驗結(jié)果與討論

首先使用針針電極進行放電?；鸹ǚ烹妶D像如圖2所示，可以看出發(fā)光較強，放電較為劇烈。圖3為頻率為1 kHz時單個脈沖放電電壓及電流波形，明顯可以看出電壓達到3.79 kV之后發(fā)生擊穿，體現(xiàn)為電壓迅速下降到較小值，同時電流急劇增加。改變放電頻率，觀測了擊穿電壓和擊穿時延隨脈沖重復(fù)頻率的變化情況，進而分析重頻脈沖放電和單個脈沖放電的區(qū)別和聯(lián)系。然后，使用光譜儀觀察不同頻率放電時的發(fā)射光譜，使用玻爾茲曼圖法診斷等離子體電子溫度隨頻率的變化情況。

圖2 納秒脈沖火花放電圖像

t/ns

2.1 擊穿電壓與擊穿時延

觀察針-針放電時擊穿電壓和擊穿時延隨頻率的變化情況。放電間隙為1 mm。放電電極為鎢電極。前人也有對重頻放電時的擊穿電壓和擊穿時延開展研究，但受限于電源重頻性能，研究范圍大多集中在5 kHz以下的范圍內(nèi)。實驗觀察了更寬頻率范圍內(nèi)擊穿參數(shù)。

圖4給出了不同頻率下?lián)舸﹨?shù)的變化。結(jié)果顯示擊穿電壓和擊穿時延隨頻率的增加而不斷下降。相比于重復(fù)頻率低于1 kHz的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在更高頻范圍內(nèi)變化趨勢沒有發(fā)生變化，僅是擊穿電壓和擊穿時延下降在15 kHz時出現(xiàn)飽和。

頻率/kHz

由于負載為1 mm針針放電間隙，其體積較小，電容較小，可近似看作阻性。使用電壓乘以電流作為瞬時功率的波形，再對其進行積分得出單脈沖能量。單脈沖能量隨頻率變化的情況如圖5所示。其展現(xiàn)出相對復(fù)雜的趨勢，隨頻率的增加，單脈沖能量先增加，再減小，最后繼續(xù)增加。頻率不同時，記憶效應(yīng)通過影響放電發(fā)展改變脈沖注入能量。

頻率/kHz

2.2 電子溫度

納秒脈沖放電由于脈寬較窄，放電通道加熱時間也相應(yīng)較短。電場能量主要用于電子加速，離子由于質(zhì)量較大，加速較為緩慢。故電子溫度和離子溫度相差較大，等離子體狀態(tài)為非平衡態(tài)。為進一步驗證納秒脈沖放電產(chǎn)生的等離子體為非平衡態(tài)等離子體，觀測了納秒脈沖放電時產(chǎn)生的光譜。使用玻爾茲曼圖法擬合電子溫度。根據(jù)文獻中的結(jié)果，電子從能級i躍遷到能級j時，滿足下式[22-23]。

(1)

λ/nm

根據(jù)式(1)擬合出玻爾茲曼圖，擬合結(jié)果如圖7所示，可見數(shù)據(jù)點比較分散，相距較遠，故擬合結(jié)果比較可信。然后根據(jù)直線斜率計算出不同頻率放電時的電子溫度，如圖8所示。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率小于5 kHz時，電子溫度為～2.5 eV，而10 kHz以上時，電子溫度降低至～0.8 eV。由于火花放電典型氣體溫度在700～3000 K之間[24]，故此時電子溫度(8 000～30 000 K)遠高于氣體溫度，此時放電仍為典型的非平衡態(tài)等離子體。電子能量和溫度正相關(guān)，電子溫度較高表明電子能量較高。

-(Ei-Ej)/k

λ/nm

2.3 結(jié)果與討論

高重復(fù)頻率下脈沖放電中擊穿電壓和擊穿時延下降與記憶效應(yīng)有關(guān)[1]。先前脈沖放電產(chǎn)生的電荷具有一定的壽命，殘余在電極間隙中。殘余電荷提供了電子崩發(fā)生的初始電荷，使放電更容易發(fā)生，降低了間隙的絕緣強度，表現(xiàn)為擊穿電壓和擊穿時延下降。放電產(chǎn)生的帶電粒子中，電子速度較快，壽命極短，對后續(xù)放電產(chǎn)生的影響較小，正離子壽命較長，對后續(xù)脈沖電場起到一定的畸變作用。

記憶效應(yīng)對脈沖注入放電的能量具有較為復(fù)雜的影響。當(dāng)頻率較低時(<5 kHz)，記憶效應(yīng)粒子殘余較少，記憶效應(yīng)比較弱，放電難以發(fā)生。記憶效應(yīng)隨著頻率的增加而不斷加強，間隙絕緣強度變?nèi)?，放電越來越容易發(fā)生，擊穿時間越來越早。在相同寬度的脈沖情況下，放電發(fā)生的越早，放電持續(xù)的時間就越長，故而放電持續(xù)時間變長，單脈沖注入放電的能量增加。當(dāng)頻率在5～15 kHz之間，記憶效應(yīng)較為顯著，擊穿電壓大幅下降。擊穿電壓較小時，放電電流峰值也較小，導(dǎo)致放電功率下降。進而單脈沖能量變小。表現(xiàn)為記憶效應(yīng)不利于能量注入。當(dāng)頻率大于15 kHz時，擊穿電壓下降趨勢出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，故單脈沖能量表現(xiàn)為緩慢增加。

根據(jù)玻爾茲曼圖法擬合電子溫度，發(fā)現(xiàn)電子溫度整體較高，明顯高于常規(guī)火花放電的氣體溫度[24]。據(jù)此可知重頻納秒脈沖放電產(chǎn)生的等離子體為非平衡態(tài)等離子體。由于放電發(fā)生時刻提前，放電持續(xù)時間增加，放電電流增加，即放電間隙總的電子數(shù)量增加，平均到每個電子上的能量變小。放電頻率變高時，殘余到下一次脈沖的電子數(shù)量增加，則在下一次放電初期有更多的電子崩同時發(fā)展，相當(dāng)于同樣的能量分散到更多的電子上，單個電子分得的能量變小。10 kHz左右時，等離子體電子溫度急劇下降，對比發(fā)現(xiàn)單脈沖注入能量也出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這是由于在該頻率范圍內(nèi)殘余電荷導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?，不利于脈沖能量的注入。

3 結(jié)論

本文研究了高重復(fù)頻率納秒脈沖放電特性和電子密度與電子溫度等等離子體參數(shù)，脈沖重復(fù)頻率范圍為1 kHz～30 kHz，得到主要結(jié)論如下：

(1)放電擊穿電壓和擊穿時延隨脈沖重復(fù)頻率的增加而不斷下降，但當(dāng)重復(fù)頻率大于15 kHz，降幅趨緩。單脈沖能量隨著脈沖重復(fù)頻率增加先減小，后增加，但單位時間內(nèi)脈沖注入能量增加。

(2)電子激發(fā)溫度在0.8～5 eV范圍內(nèi)，為典型的非平衡態(tài)放電。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率增加到10 kHz以上，電子溫度下降，這是因為高重復(fù)頻率下殘余電荷降低擊穿電壓，不利于脈沖能量的注入。