磁控放電等離子體射流陣列實驗研究

王長全，李廣軍，申仲濤，蘇金剛，羅海云，劉 程

(1.北京勞動保障職業(yè)學(xué)院 城市安全學(xué)院，北京 100029；2.清華大學(xué) 電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

1 引言

2005年，習(xí)近平總書記即指出了“綠水青山也是金山銀山”的生態(tài)與經(jīng)濟的辯證關(guān)系。綠色發(fā)展需要綠色技術(shù)，綠色技術(shù)是指人們能充分節(jié)約地利用自然資源，并且生產(chǎn)和使用時對環(huán)境無害的一種技術(shù)。低溫等離子體技術(shù)作為一種環(huán)境友好型新技術(shù)，屬于綠色技術(shù)的一種。低溫等離子技術(shù)包括產(chǎn)生低溫等離子體的各種技術(shù)，其中大氣壓等離子體射流由于在大氣壓下產(chǎn)生，具有放電溫度低、放電裝置靈活、化學(xué)活性高且可控性好等方面的特點，國內(nèi)外學(xué)者對其放電特性機理及在材料表面改性、殺菌消毒以及生物化學(xué)等方面的應(yīng)用進行了廣泛關(guān)注[1～4]。但現(xiàn)有研究中采用的單個射流裝置產(chǎn)生的等離子體體積較小、尺度小，因此其工業(yè)應(yīng)用前景受到一定的限制。為了改變單個射流的確定，最近幾年，學(xué)者們通過對小尺度單個射流單元進行并聯(lián)排列組合，制成了能獲得較大面積等離子體的射流陣列。射流陣列可以根據(jù)需要進行不同單元的組合以適應(yīng)不同面積和體積的處理對象，大大增強了等離子體處理的靈活性和實用性，具有更加廣闊的應(yīng)用前景，成為目前等離子體領(lǐng)域的研究熱點。

根據(jù)射流陣列中單個射流單元的排列方式不同，射流陣列可以分為一維射流陣列和二維射流陣列。一維陣列是將多個小尺度單射流單元在一維方向上進行線狀排列，可以滿足長距離等離子體處理的需求。二維陣列是將多個小尺度單射流單元在二維橫縱兩個方向上進行擴展成面型排列，可以滿足大面積等離子體處理的需求。除了在空間尺寸上對等離子體射流放電進行研究以外，研究者們還在如何增強放電效果的方法上進行了研究[5～7]。王長全等[8,9]對一維等離子體射流放電的仿真研究發(fā)現(xiàn)，在磁場控制條件下，電場強度幅值比無磁場時有了一定的提高。

為了深入分析磁場對一維等離子射流陣列的影響，本文采用自制實驗裝置對有無磁場時的三個單射流單元組成的一維等離子射流陣列進行了研究。

2 實驗裝置

圖1給出了本文研究所建立的射流陣列實驗裝置及測量系統(tǒng)接線圖。射流陣列反應(yīng)器由3個單個射流單元并聯(lián)平行排列構(gòu)成，陶瓷管彼此間距為1 mm。射流單元采用環(huán)-環(huán)電極結(jié)構(gòu)，每個射流單元均由氧化鋁陶瓷管、低壓電極和高壓電極構(gòu)成，其中陶瓷管的外徑為4 mm、內(nèi)徑為2 mm、長度為100 mm；高壓電極和低壓電極皆為寬20 mm的銅箔，相距35 mm，高壓電極外側(cè)距離陶瓷管口10 mm處。實驗氣體為He氣(體積分數(shù)99.99%)，經(jīng)LZB-10WB型流量計控制通入到陶瓷管內(nèi)，其體積流量范圍為5～45 L/min。電源采用電壓幅值在0～15 kV范圍內(nèi)、頻率在0～35 kHz 范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的高頻高壓交流電源，3個射流單元的高壓和地電極并聯(lián)后分別接到高壓電源兩端。放電電壓波形采用高壓探頭Tek P6015A 測量，探頭并聯(lián)在高壓電極和地電極之間；射流陣列的總放電電流波形則通過在一維射流陣列放電回路中串聯(lián)1 個阻值為50 Ω 的無感電阻R獲得；放電空間的傳輸電荷通過在放電回路中串聯(lián)1 個0.0068 μF的無感的測量電容C獲得，放電的電壓-電流波形圖形和電壓-電荷Lissajous 圖形由TBS 1052B數(shù)字示波器記錄。放電發(fā)光圖像由OPPOReno5手機拍攝得到。發(fā)射光譜特性由AvaSpeec-USB2-DT型光譜儀測量，測量譜線的波長范圍為200～1100 nm，光學(xué)分辨率為0.75 nm。

圖1 實驗裝置及測量系統(tǒng)

3 實驗結(jié)果與討論

為了分析磁場對一維等離子射流陣列的影響，實驗從電學(xué)和光學(xué)兩個角度出發(fā)進行了實驗對比研究。實驗條件為：電源頻率2.7 kHz，射流氣體流速3.3 L/min。

3.1 射流陣列的電學(xué)特性

在實驗條件下，一維射流陣列有磁場和無磁場時的電壓和電流波形如圖2所示。

從圖2可看出，放電電壓為交流正弦，電流波形為交流脈沖，就測量的電流峰值強度而言，有磁場時的所測電流強度高于無磁場時的，說明磁場約束提高了某階段的電流強度，這與以前的仿真結(jié)果一致。

圖2 一維射流陣列的電壓-電流波形

圖3所示為實驗條件下利用測量電容和高壓探頭測量得到的射流陣列有、無磁場時的Lissajous圖形。

圖3 一維射流陣列的Lissajous圖形

由放電的Lissajous圖形可看出，兩者圖形形狀相似，只是有磁場時的Lissajous圖形非對稱性比無磁場時更向負電荷區(qū)偏些，且放電圍成的面積更大一些。

3.2 射流陣列的光學(xué)特性

一維射流陣列的光學(xué)特性采用放電照片和發(fā)光光譜來分析。放電照片如圖4所示。

圖4 一維射流陣列的發(fā)光照片

從發(fā)光圖像可以看出，在實驗條件下，等離子體射流噴出了放電區(qū)域，對比不同的照片可看出，放點顏色接近，有磁場和無磁場對射流耦合和均勻性沒有明顯的差異，究其原因可能有兩個：一是所用馬蹄形磁鐵磁場較弱，對等離子體影響有限；二是磁鐵放置的位置影響不到外面射流的部分。

通過分析圖5的射流陣列的發(fā)射光譜，在大氣壓和氦氣工作氣體作用下，放電區(qū)域除了原子氦的發(fā)光譜線外，還存在羥基線(306～310 nm)、氮分子譜線 (314.8 nm，337 nm，354 nm，358 nm，381 nm) 、分子氮離子譜線 (391 nm，428 nm) 和原子氧譜線(777 nm)。當有磁場約束時，存在的高強度譜線有337 nm、372 nm、391 nm和706 nm等；同樣，在無磁場的等離子體發(fā)光光譜中也存在上述幾種譜線。但對比譜線的強度發(fā)現(xiàn)，低波段高能光子(取337 nm、372 nm、391 nm)與高波段低能光子(取706 nm)的強度值變化如表1所示。

圖5 一維射流陣列的發(fā)射光譜

表1 高能光子強度與低能光子強度值變化

通過圖5和表1可以看出，有磁場時，譜線呈現(xiàn)兩端高，中間低，而無磁場時中間高兩端低。這說明磁場的存在使得等離子體區(qū)的電子在正交磁場收到洛倫茲力的作用而延長其與其他粒子的碰撞過程，影響了產(chǎn)生活性粒子的數(shù)量，從而導(dǎo)致了發(fā)光光譜強度的不同[6,7]。

4 結(jié)論

大氣壓等離子體射流陣列作為綠色技術(shù)等離子體技術(shù)中的一種放電類型，具有較高的工業(yè)應(yīng)用價值。提高射流陣列的放電尺度和放電效果是深入拓展其應(yīng)用的必由之路。本文采用實驗方式研究了3單射流單元組成的一維射流陣列在有、無磁場條件的電壓、電流、發(fā)光圖像和發(fā)射光譜等變化。結(jié)果證明，采用磁場約束的方式在一定程度上影響射流的放電強度和光譜特性。如何有效控制磁場參數(shù)使放電效果有效提升將是未來研究的一種重點方向。