氬氣等離子體射流光譜空間分布分析

楊晨

(沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

1 引言

近年來(lái)，氬氣等離子體射流光譜引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大興趣。等離子體放電診斷的光學(xué)發(fā)射光譜(OES)技術(shù)被人們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域中廣泛使用。研究者們探究了影響等離子體光譜變化的許多特征參量，姜昱研究了不同氣壓下氬射流等離子體發(fā)射光譜對(duì)比，董麗芳等人采集了等離子體從弧根到弧梢不同位置時(shí)OH自由基譜帶和O原子譜線，Kindel等人對(duì)等離子體射流進(jìn)行了不同軸向位置光譜測(cè)量，但并未對(duì)粒子進(jìn)行詳細(xì)闡述。本文針對(duì)不同軸向位置等離子體截面的光譜進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行OES測(cè)量并分析粒子種類，低溫等離子體射流不同軸向位置的活性粒子種類、能量以及密度存在差異，通過實(shí)驗(yàn)找出其空間分布，將有利于針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，改變待處理試件的空間位置，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能指標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)量裝置

本實(shí)驗(yàn)采用成都普璐生醫(yī)療科技有限公司提供的PLS-800設(shè)備以及氬等離子體射流噴槍。工作氣體是體積分?jǐn)?shù)為 99.999%的氬氣，由高壓氬氣氣罐輸出，輸出氣體流量為8L/min，通過氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)氬氣流量，氣體壓強(qiáng)為0.26Mpa，在大氣環(huán)境中產(chǎn)生了穩(wěn)定的氬等離子體射流。采用愛萬(wàn)提斯ULS2048-USB2光譜儀實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫等離子體光譜的采集，記錄波長(zhǎng)在300～1000nm的粒子，同時(shí)使用Avasoft軟件觀察光譜變化，多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并保存。

實(shí)驗(yàn)方法：取槍口為射流長(zhǎng)度計(jì)算的起始點(diǎn)，首先踩穩(wěn)腳踏開關(guān)給設(shè)備1min電壓信號(hào)，使等離子體射流發(fā)射穩(wěn)定，接著移動(dòng)直線導(dǎo)軌滑塊將鐵板從射流槍噴口處緩緩向外拉動(dòng)，測(cè)得等離子體射流距離鐵板的最大距離是15mm，如圖1所示；接著使光譜儀光纖探頭軸心與等離子體射流軸心保持在同一水平面上，光纖探頭垂直于等離子體射流距離為5mm；最后沿等離子體射流方向改變光纖探頭到槍口距離分別為2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm。

圖1 等離子體射流的最大距離

3 等離子體放電過程的光譜學(xué)分析

3.1 射流粒子分析

光譜儀采集記錄到在690～1000nm的22條氬原子譜線，在300～500nm的15條氮分子譜線，在306～318nm的1條羥基自由基譜線，在750～850nm的2條氧原子譜線。實(shí)驗(yàn)觀察得到，在射流與試件接觸處等離子體光譜譜線數(shù)量最多。通過分析光譜數(shù)據(jù)可知，氬原子、氮分子、羥基自由基、氧原子的活性粒子種類分別如表1、表2、表3、表4所示。由于本實(shí)驗(yàn)工作氣體為氬氣，所以Ar原子(Ar I)譜線較強(qiáng)，電子能量主要來(lái)自4p→4s躍遷引起的4p能級(jí)的減少，其中763.51 nm的譜線輻照度變化最大，某些Ar原子譜線彼此非常接近，選取上能級(jí)激發(fā)能和譜線輻照度較好的譜線，如763.51nm和772.42nm，800.62nm和801.48nm等，可計(jì)算等離子體參數(shù)。高能電子與Ar原子碰撞使得基態(tài)Ar原子得到能量躍遷到激發(fā)態(tài)或更高能級(jí)的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)或更高能級(jí)激發(fā)態(tài)的Ar原子躍遷返回到共振能級(jí)1s2和1s4(用Paschen符號(hào)表示)或亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)1s3和1s5，反應(yīng)如下式表示。

表1 Ar原子(4p-4s)發(fā)射譜線的光譜數(shù)據(jù)

表2 N2分子(C3Πu-B3Πg)發(fā)射譜線的光譜數(shù)據(jù)

表3 OH自由基(A2Σ+-X2Π)發(fā)射譜線的光譜數(shù)據(jù)

表4 O原子(3p-3s)發(fā)射譜線的光譜數(shù)據(jù)

從N2(C3Пu)向N2(B3Пg)躍遷產(chǎn)生的發(fā)射光譜最清晰可見，N2分子在可見光波段的發(fā)射光譜主要由第二正帶系(C3Пu→B3Пg,v’=0,Δv=v’-v’’=0主 帶 頭 在337.1nm處)和(C3Пu→B3Пg,v’=0,Δv=v’-v’’=-1主帶頭在357.7nm處)組成，N2分子的C3Пu→B3Пg的躍遷譜線是光譜主要形成原因。空氣中的N2分子主要是由以下反應(yīng)發(fā)光。

式(3)是高能電子e*與基態(tài)N2分子相互碰撞產(chǎn)生的激發(fā)過程，式(4)是激發(fā)態(tài)Ar原子和N2分子產(chǎn)生的反應(yīng)過程，式(5)是激發(fā)態(tài)N2分子的第二正帶系躍遷發(fā)光過程。

OH自由基的發(fā)射光譜位于306～318nm光譜區(qū)，本實(shí)驗(yàn)的OH自由基光譜主要集中在308nm附近，對(duì)應(yīng)A2Σ+(v’=0)→X2П(v’’=0)躍遷，OH自由基的半波峰脈寬為2.89nm，且OH自由基有著強(qiáng)氧化活性。在氬氣等離子體中，第一激發(fā)態(tài)的OH(A2Σ+)是由等離子體中的高能電子e*和激發(fā)態(tài)的氬原子Ar*分別與空氣中的水分子發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的，并且激發(fā)態(tài)OH自由基會(huì)躍遷到基態(tài)，反應(yīng)如下。

O原子(O I)具有強(qiáng)氧化性，在等離子體醫(yī)療領(lǐng)域中可用來(lái)殺菌消毒，兩個(gè)O原子光譜來(lái)自3p態(tài)躍遷到3s態(tài)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的兩條O原子譜線的光譜發(fā)射都比較微弱，在氬氣等離子體氣體放電中電子或者基態(tài)Ar原子與O2分子發(fā)生碰撞，生成具有較高活性的O原子譜項(xiàng)O(3p5P)和O(3p3P)，單線態(tài)O原子主要由以下反應(yīng)產(chǎn)生。

3.2 不同位置射流光譜特性

等離子體光譜與射流位置有著密切的聯(lián)系，為了更清晰了解各譜線變化趨勢(shì)，繪制如圖2，可明顯看出隨著距離不斷增加，氬氣等離子體射流光譜有很大變化。

圖2 不同位置時(shí)的發(fā)射光譜

根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST網(wǎng)站分析粒子種類，由于波長(zhǎng)相距較近且易算出電子激發(fā)溫度，激發(fā)態(tài)Ar原子的主要光譜波長(zhǎng)為750.39nm、751.47nm、763.51nm、772.42nm、800.62nm、801.48nm、810.37nm、811.53nm、840.82nm、842.47nm。Ar原子在2.5～5mm單調(diào)遞增，在距離為5mm處輻照度基本達(dá)最大值，之后隨著距離增加雖略有下降和上升趨勢(shì)，但輻照度梯度基本趨于穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)Ar離子。1.40μW/cm2。利用光譜學(xué)方法對(duì)單線態(tài)O原子譜線輻照度的空間分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)O原子(777.5nm)在距離為5mm處輻照度遠(yuǎn)大于其他位置，而O原子(844.6nm)在射流尖端輻照度較強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用OES證實(shí)了氬氣等離子體射流中主要存在Ar原子、N2分子，OH自由基和O原子。由于觀察到了OH自由基譜帶和O原子譜線，表明放電產(chǎn)生了活性含氧物種，對(duì)研究等效總氧化電位起著至關(guān)重要的作用。另外，實(shí)驗(yàn)分析了各粒子所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和粒子躍遷反應(yīng)，在距離分別為2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm時(shí)主要粒子的輻照度變化情況，得出粒子的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果表明在距離射流尖端處15mm產(chǎn)生的活性粒子較多。

N2分子的主要波長(zhǎng)為315.9nm、337.1nm、357.7nm、380.5nm、405.9nm、434.4nm，是 由 于 這6條 波 長(zhǎng) 是N2(C3Пu→B3Пg) 第二正帶譜帶的帶頭。等離子體射流產(chǎn)生的全是激發(fā)態(tài)N2分子，無(wú)N2離子波長(zhǎng)，在射流槍噴嘴處，N2分子波長(zhǎng)輻照度較小，在距離為2.5～12.5mm時(shí)輻照度梯度略有上升趨勢(shì)，在0～3μW/cm2上下穩(wěn)定浮動(dòng)，在15mm處有較明顯的跳變上升趨勢(shì)，即可得出結(jié)論，在氬氣等離子體射流噴口處，N2分子譜線較弱，而在射流尖端處N2分子譜線較強(qiáng)。

波長(zhǎng)308nm周圍OH自由基譜帶在射流噴口處輻照度很活躍，在距離為2.5mm處輻照度可達(dá)到最大值為47.82μW/cm2，通過實(shí)驗(yàn)可看出隨著距離增加，OH自由基輻照度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，通過對(duì)OH自由基譜帶輻照度的空間分布測(cè)量，可推斷出等離子體從弧根到弧梢位置，OH自由基的輻照度會(huì)逐漸下降。

O原子的主要波長(zhǎng)為777.5nm和844.6nm。當(dāng)波長(zhǎng)為777.5nm在5mm處達(dá)到O原子輻照度最大值為2.72μW/cm2；當(dāng)波長(zhǎng)為844.6nm，在15mm時(shí)上升到最大值為