脈沖驅(qū)動氬氣真空介質(zhì)阻擋放電的光譜特性研究

王 偉， 王永剛， 吳忠航， 饒俊峰， 姜 松， 李 孜

上海理工大學(xué)脈沖功率實驗室， 上海 200082

引 言

在氣體放電中， 氬等離子體除了以基態(tài)和激發(fā)態(tài)的形式存在外， 還存在大量的亞穩(wěn)態(tài)， 亞穩(wěn)態(tài)壽命較長， 能量較高， 會跟其他原子和分子發(fā)生潘寧電離作用[1]。 介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge, DBD)是有絕緣物質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電， 介質(zhì)可以覆蓋在電極上或懸掛在電極之間。 研究中聚四氟乙烯作為介質(zhì)， 可以有效防止整個氣隙擊穿形成電弧。 當(dāng)在放電電極上施加足夠高的交流電壓時， 電極間的氣體即使在很高的氣壓下， 也會被擊穿而形成所謂的DBD。 通常放電空間的氣體壓強為104～105Pa或者更高。 在大氣壓下(105Pa)這種氣體放電呈現(xiàn)微通道的放電結(jié)構(gòu)， 即通過放電間隙的電流由大量的快脈沖電流細絲構(gòu)成， 電流細絲在放電空間和時間上均無規(guī)則分布。

納秒脈沖具有陡峭的上升沿和較短的脈沖持續(xù)時間， 更多的能量被用來加速電子而不是加熱氣體[2-4]， 因此納秒脈沖放電產(chǎn)生的等離子體具有電子密度高、 平均電子能量高、 粒子化學(xué)活性高等特點[5]。 本研究在實驗室自主研發(fā)的納秒脈沖電源驅(qū)動氬氣真空介質(zhì)阻擋放電， 研究其光譜特性。

DBD能夠產(chǎn)生大體積、 高能量密度的低溫等離子體， 在室溫或者接近室溫條件下獲得化學(xué)反應(yīng)所需要的活性粒子， 因而被廣泛應(yīng)用于臭氧發(fā)生、 材料處理與合成、 能源轉(zhuǎn)化、 環(huán)境治理[5]、 等離子體醫(yī)學(xué)[6]、 農(nóng)業(yè)食品[7]、 海水淡化以及航天等領(lǐng)域[8-9]。 目前， 研究者對氬氣放電從多個方面進行研究， Weiss[10]等研究了在平面和空心電極下氬氣放電的發(fā)射光譜， Missaoui[11]等研究了在射頻容性氬氣放電中驅(qū)動頻率對光譜特性的影響， TanlMurat[12]對低氣壓下感應(yīng)式射頻氬氣放電的發(fā)射光譜譜線比隨時間的變化進行了研究， 有報道在填充氬氣的真空腔中開展體積DBD絲狀放電光譜測試， 劉仕維[13]等對大氣壓氬氣條件低載氣流量DBD放電特性進行了研究。

目前大多數(shù)研究DBD使用的反應(yīng)器均為板-板或者針-環(huán)/板結(jié)構(gòu)。 本工作采用同軸圓筒型結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下對氬氣DBD產(chǎn)生的絲狀放電開展光譜測試實驗， 以研究電壓幅值、 頻率對等離子體電子激發(fā)溫度和電子密度的影響， 理清變化規(guī)律， 可以更加高效地產(chǎn)生等離子體， 應(yīng)用于工業(yè)球磨罐設(shè)備， 利用制得的等離子體協(xié)同細化粉末， 加速合金化反應(yīng)， 為工業(yè)應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

實驗裝置如圖1所示, 包括電源部分、 真空DBD發(fā)生器、 光譜測試及數(shù)據(jù)采集部分。 其中真空DBD反應(yīng)器為自主設(shè)計的同軸圓筒型裝置， 整個發(fā)生器腔體外徑為5.5 cm， 內(nèi)徑為5.1 cm， 長為20 cm。 位于軸心的黑色圓柱體為高壓電極， 直徑為2 cm， 材質(zhì)為不銹鋼， 在其外壁包裹一層聚四氟乙烯， 與末端的橫截面為7 cm×7 cm的有機玻璃貼合， 靠近高壓輸出端的上壁為正方形聚四氟乙烯板。 反應(yīng)器外壁為不銹鋼金屬圓筒， 并且連接到地， 實驗裝置如圖2所示。

圖1 實驗原理圖Fig.1 Experimental schematic diagram

圖2 同軸圓筒型反應(yīng)器Fig.2 Coaxial cylindrical reactor

脈沖電源為正極性全固態(tài)Marx發(fā)生器[14]， 輸出脈沖電壓0～20 kV可調(diào)， 頻率0～10 kHz可調(diào)， 脈寬0～200 μs可調(diào)， 上升/下降時間為140 ns， 占空比為1%～50%可調(diào)。 脈沖電源在氣隙擊穿時的電壓電流輸出波形如圖3所示， 其電壓幅值為14.2 kV， 脈寬為2 μs， 頻率為3 kHz。

圖3 加載電壓14.2 kV時的電壓電流波形Fig.3 Voltage and current waveform at 14.2kV loading voltage

電壓和電流分別由高壓探頭(Tektronix P6015 A, bandwidth 75 MHz)和電流探頭(Pearson 2100, 20 MHz)測量， 并輸入示波器(Tektronix DPO2014, bandwidth 100 MHz, sampling frequency 1 GS·s-1)顯示。 發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)由光纖式光譜儀(Avantes, AvaSpec Mini 3648)以及計算機組成。 實驗時將光纖探頭固定于反應(yīng)器有機玻璃外1 mm處采集光信號， 同時使用軟件(AvaSoft 7.8 for USB2)測量發(fā)射光譜的譜線相對強度， 并將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計算機中， 為后續(xù)進一步的數(shù)據(jù)分析做準備。 光譜測量系統(tǒng)狹縫寬度25 μm， 分辨率為5 dpi， 測量范圍為300～900 nm。 光譜積分時間為200 ms， 平均次數(shù)2次， 平滑系數(shù)為5。 同時使用佳能相機(Canon EOS 5D Mark Ⅲ)進行拍攝， 記錄放電圖像。 氣體流量計為北京七星華創(chuàng)D07-7。 實驗在室溫環(huán)境下進行。 在實驗開始前進行多次洗氣操作， 即先打開真空泵， 對腔體進行抽真空， 真空度用ZDZ-52T智慧電阻真空計測量； 然后關(guān)閉真空泵， 打開氬氣， 在流通之后與腔體連接， 打開腔體閥門填充氬氣； 然后再由真空泵進行抽真空操作， 反復(fù)若干次， 以確保腔體內(nèi)為純凈的氬氣。

等離子體光譜診斷技術(shù)在實驗研究中是一種非常實用的技術(shù)， 從測量方式的角度可以分為主動式測量和被動式測量。 本研究采用一種被動測量法， 具有非接觸測量， 靈敏度高， 成本低， 操作簡單等優(yōu)點[15]。 在發(fā)射光譜法中， 診斷各等離子體參數(shù)有多種方法， 如玻爾茲曼斜率法、 雙譜線法、 多譜線斜率法、 等電子譜線法等。 在各參數(shù)中， 電子激發(fā)溫度和電子密度較為重要[16-17]。 研究中選用雙譜線法對氬氣放電時的電子激發(fā)溫度進行計算。

在熱力學(xué)平衡(TE)或局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)， 根據(jù)原子發(fā)射光譜理論， 當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的粒子從高能級向低能級躍遷時， 能量以光的形式輻射， 特定的粒子有特定的原子光譜， 相對光譜強度的表達式見式(1)

(1)

選擇兩條同種原子或離子的光譜譜線， 譜線選取波長范圍相近， 兩條譜線的輻射強度比滿足式(2)

(2)

對式(2)兩邊取對數(shù)， 得到式(3)

(3)

式(1)—式(3)中，k為玻爾茲曼常數(shù)，Te為電子激發(fā)溫度，h為普朗克常數(shù)，c為真空光速，N為原子數(shù)總密度，Z為分配函數(shù)，I1和I2為兩條譜線的相對光譜強度，A1和A2為粒子的躍遷概率，g1和g2為統(tǒng)計權(quán)重，λ1和λ2為兩條譜線的波長，E1和E2為兩條譜線各自的激發(fā)態(tài)能量， 其中Ek，g和A的值可從美國國家標準局(NISI)的躍遷概率表中查出， 帶入相關(guān)參數(shù)值， 進行計算可以獲得電子激發(fā)溫度。

任何一條光譜線都具有一定的寬度并呈現(xiàn)出一定的外形輪廓， 光譜線的線寬和輪廓可以提供物質(zhì)溫度、 密度和組分等多方面的信息， 在原子和分子氣體光譜分析中非常重要。 產(chǎn)生譜線展寬的機制有很多種， 不同機制所引起的展寬大小和譜線輪廓不同， 例如有自然展寬、 多普勒展寬、 碰撞展寬、 Stark展寬等。 在這些展寬中， Stark展寬受電子激發(fā)溫度以及局部熱力平衡狀態(tài)的影響較小， 最主要的影響因素為電子密度， 因此采用Stark展寬來求解電子密度是較為常用的方法。 在激發(fā)態(tài)原子與等離子體中的帶電粒子之間產(chǎn)生相互作用， 使得這些激發(fā)態(tài)的能級產(chǎn)生展寬和位移， 這種效應(yīng)稱為Stark效應(yīng)。 對于處在高激發(fā)電位原子所產(chǎn)生的輻射躍遷， Stark效應(yīng)最為明顯， 由這種效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)射譜線的展寬稱為Stark展寬。 譜線的Stark展寬可表示為電子密度及電子激發(fā)溫度的一個復(fù)雜公式， 如式(4)

(4)

式(4)中：α為離子碰撞參數(shù)，ω為電子碰撞半寬。

2 結(jié)果與討論

真空狀態(tài)下氬氣體積介質(zhì)阻擋放電的光譜如圖4所示。

圖4 真空氬氣DBD發(fā)射光譜Fig.4 DBD emission spectrogram of vacuum argon

氬原子的發(fā)射譜線波長分布在300～1 000 nm之間， 其中發(fā)射譜線波長在670～880 nm之間輻射最強， 是由np5(n+1)p能級躍遷到np5(n+1)s能級產(chǎn)生的。 稀有氣體能級np5(n+1)s耦合方式是LS耦合， 由4個能級組成， 這四個能級分別為1p1，3p0，3p1和3p2。 自旋-軌道相互作用將具有相同總角J的項混合， 得到不同的混合層。 對于Ar來說， 3p54s對應(yīng)的波長為667～1 150 nm， 實驗測得的發(fā)射光譜線均由氬原子4p—4s能級躍遷產(chǎn)生。 維持真空腔內(nèi)的氬氣氣壓為0.01 atm， 保持脈沖電源頻率為5 kHz， 脈寬10 μs， 逐漸升高電壓， 在電源電壓為8 kV時氣隙擊穿， 反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)淡紫色的絲狀放電， 并不斷旋轉(zhuǎn)， 如圖5所示。

圖5 氬氣真空放電圖像Fig.5 Argon vacuum discharge image

不斷升高電源電壓， 加至16.24 kV， 放電顏色逐漸加深。 在光譜分析軟件avsoftusb2中可以觀察到隨著電源電壓的增加， 光譜譜線相對強度也隨之增加， 如圖6所示。

圖6 發(fā)射光譜隨電壓變化圖像Fig.6 Image of emission spectrum varying with voltage

分析認為電源電壓增加， 同軸圓筒兩電極之間的電場也隨之增強， 在自由電子平均自由程、 電子質(zhì)量、 電子電荷量不變的情況下， 電子獲得了更高的能量， 與氬原子發(fā)生碰撞的概率增大， 產(chǎn)生了更多的激發(fā)態(tài)氬原子， 因此光譜線強度也隨之增強。 本研究采用雙譜線法對等離子體的電子激發(fā)溫度進行計算。 為減小誤差， 在多組參數(shù)對比測量的情況下選取若干條區(qū)分度和過峰較好的譜線進行數(shù)據(jù)分析， 其中涉及的光譜參數(shù)從美國國家標準局(NISI)的躍遷概率表中查出， 具體如表1所示。

表1 Ar原子特征譜線參數(shù)Table 1 Parameters of Ar atomic characteristic spectra

保持電源頻率2 kHz不變， 從出現(xiàn)放電現(xiàn)象時的8 kV開始， 每隔1 kV做一次光譜譜線記錄， 到16 kV停止。 根據(jù)測量的光譜數(shù)據(jù)計算電子激發(fā)溫度。 圖7為電源頻率為2 kHz， 增加電源電壓的電子激發(fā)溫度變化圖。

從圖7可以看出， 在電源頻率不變的情況下， 電子激發(fā)溫度隨著電源電壓的增加而增加。 這種情況和光譜譜線強度的增強原理大致相同， 電源電壓增加， 放電氣隙間的電場增強， 在電子平均自由程不變的情況下， 自由電子獲得的期望能量也就越高。 電子激發(fā)溫度也隨著電源電壓的增加而增加。

圖7 電子激發(fā)溫度隨電源電壓變化圖Fig.7 Diagram of electron excitation temperature varying with supply voltage

通過分析譜線的Stark展寬計算電子密度。 用經(jīng)驗公式求解得到的電子密度隨電源電壓的變化如圖8所示。 從圖8可以看出， 在電源頻率一定的情況下， 電子密度隨著電源電壓的升高呈現(xiàn)上升趨勢。 由于電源電壓增加， 同軸圓柱兩極之間的電場隨之增強， 其間帶電粒子的運動速率隨之加快， 粒子之間的碰撞隨之加劇， 引發(fā)電子雪崩。 使得電子密度整體呈增大趨勢。

圖8 電子密度隨電源電壓變化圖Fig.8 Plot of electron density variation with supply voltage

保持電源電壓為14 kV， 改變電源頻率， 每次增加1 kHz， 范圍為1～5 kHz， 記錄光譜譜線， 并計算電子溫度和電子密度。

圖9為電源電壓不變， 電子激發(fā)溫度隨電源頻率變化圖。 從圖9可以看出， 電子激發(fā)溫度隨著頻率的增加緩慢上升， 分析認為電源頻率增加， 單位時間內(nèi)放電次數(shù)增加， 相應(yīng)產(chǎn)生的高能電子也增多， 電子激發(fā)溫度也隨之增加。 因增加幅度很小， 遠不如電源電壓對電子激發(fā)溫度的影響大。

圖9 電子激發(fā)溫度隨電源頻率變化圖Fig.9 Plot of electron excitation temperature variation with power supply frequency

圖10為電源電壓不變， 電子密度隨電源頻率變化圖。 圖中可以看出， 隨著電源頻率的增加， 電子密度呈指數(shù)增加， 而不是線性增加。 這可能是由有兩個效應(yīng)引起的： 一是電源頻率增加， 單位時間內(nèi)的放電次數(shù)增加， 產(chǎn)生的高能電子也隨之增多， 因此電子密度增加； 二是兩次放電之間的時間間隔隨頻率升高而變短， 亞穩(wěn)態(tài)粒子來不及消散， 更容易放電， 導(dǎo)致電子密度增加。

圖10 電子密度隨電壓頻率變化圖Fig.10 Plot of electron density variation with voltage frequency

3 結(jié) 論

在真空氬氣環(huán)境下， 采用納秒脈沖驅(qū)動同軸圓筒型體積介質(zhì)阻擋反應(yīng)發(fā)生器進行放電， 研究發(fā)射光譜特性， 通過數(shù)據(jù)收集分析可知。 氬氣光譜譜線強度隨著電源電壓的增加也相應(yīng)增強， 基本與電源電壓呈線性相關(guān)。 在電源頻率一定的情況下， 電子激發(fā)溫度隨著電源電壓的增加也會逐步增加， 二者呈正關(guān)系。 在電源頻率一定的情況下， 電子密度隨著電源電壓的增加會呈現(xiàn)上升趨勢， 變化幅度不大， 數(shù)量級維持在1013m-3。 在電源電壓一定的情況下， 電子激發(fā)溫度隨著電源頻率的增加也會慢慢增加， 但是作用效果不太明顯， 整體呈上升趨勢。 在電源電壓一定的情況下， 電子密度隨著電源頻率的增加也會有所增加， 增加幅度較小， 數(shù)量級維持在1013m-3。