大氣壓氮等離子體介質阻擋放電的發(fā)射光譜研究

遲鈞文

（沈陽理工大學自動化與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110159）

1 引言

介質阻擋放電的方式能夠在大氣壓下產(chǎn)生大面積、高能量的低溫等離子體，其原理是在金屬放電電極之間放入絕緣介質，用于阻擋電極之間的放電通道，產(chǎn)生阻擋式的放電方式。近幾年來，介質阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體應用廣泛，具有十分廣闊的應用前景。發(fā)射光譜法是一種用于檢測物質元素成分的分析方法。發(fā)射光譜法與其他的分析技術相比優(yōu)勢明顯，其成本低、操作簡單、反應速度快、能夠測量多種元素，具有極高的準確度。

其中，西安科技大學申麗華、于春俠等人采用直流放電的形式，其放電電極以碳納米管為正極，鋁片為負極，在低電壓情況下，對氮氣進行氣體放電，產(chǎn)生氮氣等離子體，并利用發(fā)射光譜法對放電產(chǎn)生的粒子進行了診斷研究。大連理工大學肖重發(fā)、徐勇等人則是建立了一套交流高壓放電產(chǎn)生氮氣等離子體裝置，在地電極上覆上石英作為介質阻擋，放電產(chǎn)生的等離子體同樣利用發(fā)射光譜法對介質阻擋放電產(chǎn)生的等離子體的組成成分進行診斷。

本實驗旨在搭建介質阻擋放電等離子體發(fā)生裝置模型，以氮氣為研究對象，在大氣壓、高頻交流電壓的條件下產(chǎn)生等離子體，形成等離子體射流，并用光譜儀捕獲其發(fā)射光譜，分析物質成分以及變化規(guī)律。

2 氮等離子體發(fā)生系統(tǒng)

本實驗等離子體發(fā)生系統(tǒng)由4個部分組成，即高電壓發(fā)生裝置、針-環(huán)電極放電噴頭、配氣系統(tǒng)以及測量系統(tǒng)。

高電壓發(fā)生裝置中主要芯片選擇IR2104，IR2104是半橋驅動芯片，用信號發(fā)生器對其輸入一個頻率可調(diào)且占空比為50 %的方波。芯片正常工作時，輸出兩路相位相反，電壓、頻率和占空比相同的方波。這兩路方波驅動半橋電路。最終得到幅值可調(diào)的方波，進而驅動變壓器。經(jīng)測試，變壓器的諧振頻率為128 kHz，故驅動電路輸入頻率與變壓器諧振頻率相同時獲得的增益最大。

其次對針-環(huán)電極放電噴頭進行設計，放電噴頭利用介質阻擋放電原理產(chǎn)生等離子體。放電噴頭主體選用玻璃管作為介質阻擋層，長度50 mm，外徑5 mm，厚度1 mm。正極材料選擇鎢棒，直徑0.8 mm。負極選用銅箔，寬度2 mm。

配氣系統(tǒng)為整個等離子體發(fā)生器裝置提供氣體流速可調(diào)的氮氣，氮氣純度高達99.99%。氮氣罐上裝有壓力閥，通過導管連接到轉子流量計上，再通過導管連接到放電噴頭上。

測量系統(tǒng)包括電壓測量環(huán)節(jié)和光譜檢測環(huán)節(jié)，用Tektronix公司DPO 2002B數(shù)字示波器，檢測高電壓發(fā)生裝置的工作電壓。用Avantes光譜儀捕獲等離子體射流的發(fā)射光譜。

3 實驗研究

3.1 操作步驟

連接好高電壓發(fā)生裝置、針-環(huán)電極放電噴頭以及配氣系統(tǒng)，搭建起實驗操作平臺。將示波器的高壓探頭接于高壓電極和地電極，用于檢測高壓信號。將光纖探頭固定在實驗平臺滑塊上，且正面水平對準玻璃管，即光纖探頭圓心與玻璃管圓心在同一直線上，緩慢拉伸兩者之間的距離達到10 mm。開啟電源后，緩慢調(diào)節(jié)電壓使之稍微高于氮氣激發(fā)電壓，對放電噴頭進行“預熱”處理半分鐘左右，使實驗結果更穩(wěn)定。

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3.2 實驗結果

3.2.1 實驗現(xiàn)象

當電壓峰峰值達到6 kV左右時，金屬電極鎢棒尖端產(chǎn)生微弱的等離子體，發(fā)出淡淡的光芒，同時伴有輕微“嘶嘶”聲響，在電極尖端產(chǎn)生微弱的等離子體，如圖1中（a）所示。繼續(xù)加大電壓，電極尖端發(fā)光情況肉眼觀察幾乎無變化。

當電壓峰峰值達到7.5 kV附近時，鎢棒電極尖端向地電極垂直方向產(chǎn)生1根放電細絲，如圖1中（b）所示。

隨著電壓不斷增加，電場強度隨之不斷增大，直到電壓加到9 kV時，可明顯看到放電突然變得猛烈，從1根放電細絲變成多根細絲相互影響，等離子體噴出玻璃管，有彌漫的淡紫色光亮產(chǎn)生，等離子體邊緣有淡淡的黃色光芒，同時伴有強烈的“嘶嘶”聲響和臭氧味道，如圖1中（c）所示。

圖1 氮等離子體介質阻擋放電情況

3.2.2 氮等離子體的發(fā)射光譜研究

實驗發(fā)現(xiàn)，當電壓峰峰值在6～7 kV時，只測得N2（C3Пu-B3Пg）的譜帶即N2的第二正帶，其中較為明顯的波長為337.1 nm、357.7 nm和380.5 nm。其光譜圖如圖2所示。電壓在其范圍內(nèi)增加，所捕獲等離子體的輻照度幾乎無變化。在放電等離子體環(huán)境中，其內(nèi)部發(fā)生的反應式如下：

其中反應（1）需要11 eV的激發(fā)能，帶有較高能量的電子碰撞基態(tài)氮分子N2（X），使得激發(fā)到較高能態(tài)的氮分子N2（C）。隨后，較高能態(tài)的氮分子N2（C）進行反應（2），自發(fā)躍遷回低能級狀態(tài)，產(chǎn)生光子，向外發(fā)出輻射。

當電壓達到7.5 kV時，新增加幾條譜線，315.7 nm、353.7 nm、375.6 nm、339.8 nm和405.9 nm，都是N2（C3Пu-B3Пg）帶上的譜線。對于絲狀介質阻擋放電，且放電細絲只有一條的情況下，盡管增加電壓，輻照度變化也不明顯。

當電壓達到9kV時，電極尖端的電場強度持續(xù)增加，更多的氮氣分子被激發(fā)。激發(fā)氮氣產(chǎn)生的各種光電子，進一步使得微放電增強。分析發(fā)現(xiàn)，N2（C3Пu-B3Пg）帶系的譜線數(shù)目明顯增多。在此放電過程中產(chǎn)生帶系的一條譜線，波長為391.4 nm。新增的譜帶系以及NO-γ（A2Σ-X2П）的譜帶系。放電電場能量達到相對較高的電子伏特，導致粒子相互碰撞、轉化得更加活躍，產(chǎn)生更多種類的粒子。

其中N2的第二正帶（C3Пu-B3Пg）的反應與上文相同，見反應式（1）和（2）。

本實驗產(chǎn)生的N2的第一正帶譜帶系在550～780 nm，其反應式如下：

其中M是N2或者O2中的一種。由發(fā)射光譜圖2（b）所示。

圖2 氮氣放電的發(fā)射光譜

NO-γ（A2Σ-X2П）的譜帶系的反應式如下：

在放電過程中，NO分子的狀態(tài)變化與高能電子的能量密切相關。當電子的能量大于5.5 eV時，便可以通過非彈性碰撞激發(fā)NO基態(tài)分子到A2Σ態(tài)。當被激發(fā)的NO（A2Σ）分子回到基態(tài)時，在光譜儀可檢測的220～290 nm范圍內(nèi)形成發(fā)射光譜。

3.2.3 氮等離子體譜線輻照度隨放電電壓的變化

實驗放電頻率為128 kHz，針-環(huán)電極放電噴頭的高壓電極和地電極相距2 mm，氣體流速控制在5 L/min。N2的第二正帶選取波長337.1 nm譜線作為衡量整個帶系特點的標準。圖3為在大氣壓氮等離子體介質阻擋放電中，337.1 nm譜線的輻照度隨放電電壓峰峰值的變化曲線。

圖3 337.1 nm譜線的輻照度隨放電電壓峰峰值的變化曲線

不難發(fā)現(xiàn)，337.1 nm譜線的輻照度在電壓峰峰值6～7 kV時變化幅度較小，此時等離子體剛在電極正極產(chǎn)生，當電壓達到7.5 kV時，正極尖端產(chǎn)生1根放電細絲，輻照度稍有增加，電壓一直增加到8.5 kV，放電細絲光亮些許增強，故輻照度變化不是很明顯。當電壓達到9 kV時，等離子體放電強烈，輻照度激增，在這種放電模式下，輻照度隨著電壓的增大而線性增大。

N+2的第一負帶系只捕捉到波長為391.4 nm譜線。圖4為在大氣壓氮等離子體介質阻擋放電中，其輻照度隨放電電壓峰峰值的變化曲線。

圖4 391.4 nm譜線的輻照度隨放電電壓峰-峰值的變化曲線

電壓峰峰值在9 kV以下時，因為電場能量過低，并未激發(fā)出該譜帶系的粒子，圖中微小波動為光譜儀捕獲光子時不可避免的干擾。當電壓達到9 kV時，產(chǎn)生的N+離子隨電壓變化趨勢增大而線性增大，且趨勢變化與337.1 nm譜線大致相同。

4 結語

在大氣壓下，該放電模型以5 L/min的流速通入氮氣，電極兩端施加頻率為128 kHz的正弦電壓，其氮等離子體的激發(fā)電壓峰峰值為6 kV，捕獲到N2的第二正帶（C3Пu-B3Пg）的發(fā)射光譜。當電極兩端施加峰峰值為9 kV交流電壓時，產(chǎn)生等離子體射流，337.1 nm譜線和391.4 nm譜線的輻照度隨著電壓的繼續(xù)增大而線性增大，且變化趨勢大致相同。同時發(fā)現(xiàn)，在不同的放電狀態(tài)下，所激發(fā)出的氮粒子種類不同。