針-板型介質(zhì)阻擋放電的光電特性

張文心，王偉偉，劉峰，樊智慧，王景全，張晉安

(河北工程大學(xué) 數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，河北省計算光學(xué)成像與光電檢測技術(shù)創(chuàng)新中心,河北省計算光學(xué)成像與智能感測國際聯(lián)合研究中心，河北 邯鄲 056038)

介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge，DBD)是一種非平衡態(tài)氣體放電，并且該放電發(fā)生在2個電極之間，可以在開放或者封閉環(huán)境中產(chǎn)生[1-2].DBD的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，比如在臭氧生成方面，通過DBD產(chǎn)生等離子體，可以有效提升臭氧濃度和產(chǎn)生效率[3-4]；在材料表面改性方面，由于等離子體自身活性粒子種類多、活性強(qiáng)，與材料表面易發(fā)生反應(yīng)，因此常被用作改性處理[5-6]；在薄膜沉積方面，均勻的DBD在輝光模式和湯森模式下工作，可以保護(hù)電子元件，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域發(fā)展[7-8].在研究介質(zhì)阻擋放電特性領(lǐng)域中，采用平行平板DBD裝置相對較多[9-10]，而其他裝置對于DBD的放電特性研究較少.因此，本工作在大氣壓下采用針-板型DBD裝置，具有結(jié)構(gòu)簡易、耗材節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，因此在諸多領(lǐng)域普遍使用[11-12].通過改變外加電壓大小，分析在混合氣體流動和不流動時，電壓和電流信號、分子振動溫度以及電子激發(fā)溫度的變化特性，此現(xiàn)象的探究結(jié)果對于大氣壓等離子體動力學(xué)行為的深入研究具有重要意義.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

在這項(xiàng)工作中，用于研究DBD等離子體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.兩端電極由直徑為1.65 cm圓形銅片和2 mm實(shí)心針形銅電極組成.尺寸為84 mm×84 mm×1 mm陶瓷板插入2個電極之間并覆蓋圓形銅片電極，針型銅電極插入外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm石英管中，放電氣隙間距為1.5 mm.向石英管中注入氬氣和空氣的混合氣體，其中氬氣占90%，通過氣體流量計控制氣體總流速為1 L/min，使混合氣體處于流動和不流動2種情況下，氣體壓強(qiáng)為1×105Pa.實(shí)驗(yàn)操作裝置處于密閉狀態(tài).向電極施加10 kHz交流電壓以執(zhí)行放電，本工作采集外加電壓為10～13 kV.通過高壓探針(Tektronix P6015A)測量外加電壓(Ua)，通過測試電容器(1 nF)測量傳輸電荷(Q)，并通過電流探針(Pearson 2877)測量總電流(I).由示波器(Tektronix TDS 2024C)采集電信號，由光譜儀(復(fù)享光學(xué) FX4000EX、波長為200～1 100 nm、CCD像素為3 648)采集光譜信號.

圖1 大氣壓下DBD實(shí)驗(yàn)裝置示意

2 結(jié)果與討論

當(dāng)外加電壓在2個極板之間增加到一定程度時，2個電極之間就會發(fā)生擊穿.在本工作中，通過改變外加電壓大小，在混合氣體流動和不流動2種情況下，對電壓和電流信號、分子振動溫度以及電子激發(fā)溫度等幾個方面進(jìn)行分析.如圖2a所示是在混合氣體不流動的情況下由Ua和Q所圍成的Lissajous圖，隨著Ua增加，面積逐漸增大.結(jié)合圖2b可知，P也增大，并且當(dāng)Ua一定，混合氣體流動時功率更高.這可能是由于在氣體流動時更有利于電子從外電場獲得能量與放電空間中的氣體原子、分子碰撞而發(fā)生電子雪崩，因此在混合氣體流動時功率較大.

圖2 氣體不流動時Lissajous圖(a)及混合氣體流動和不流動時P隨Ua變化(b)

圖3左右兩側(cè)分別是在混合氣體流動和不流動時放電電流、外加電壓和氣隙電壓(Ug)波形圖.圖3a-d中外加電壓峰值分別為10、11、12、13 kV.從圖3a-d中可以看出Ug峰值變化較平緩，放電電流脈沖數(shù)增多，電流峰值也逐漸增加；而在圖3a′-d′中Ug峰值增加，放電電流峰值也明顯變化.這可能是由于氣流抑制了放電的熱不穩(wěn)定性，導(dǎo)致Ug較為穩(wěn)定.同時，隨著外加電壓的增加，更有利于介質(zhì)阻擋放電等離子體的產(chǎn)生，改變了放電空間中各種帶電粒子和高能粒子的空間分布，使得放電電流脈沖數(shù)和峰值均增加.

a-d.氣體流動；a′-d′.氣體不流動

在進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)時，放電發(fā)出光經(jīng)過透鏡呈現(xiàn)出一個最清晰的像，利用帶有光纖探頭光譜儀，采集了2種情況下光譜譜線，如圖4a是放電在波長200～1 100 nm發(fā)射光譜譜線圖.主要利用了氮分子第二正帶系(SPS, N2(C3∏u→B3∏g))順序帶組Δν=-2(0→2、1→3、2→4)和Δν=-3(0→3、1→4、2→5)，采用玻爾茲曼作圖法進(jìn)行擬合計算分子振動溫度[13]，如圖4b所示.利用相對強(qiáng)度(Iv′v″)除以頻率(νv′v″)和 躍遷概率(Av′v″)的對數(shù)與上振動能級(Ev′)的做出半對數(shù)圖[14]，直線斜率的偏離程度決定Tv的誤差.對于氬原子2條譜線(763.51 nm、772.42 nm)利用譜線相對強(qiáng)度法計算電子激發(fā) 溫度[15-16]，Tv和Texc隨Ua變化如圖5所示.從分子振動溫度整體變化曲線觀察到，Tv隨著Ua增加而增大，這可能是由于功率增加導(dǎo)致平均電子能量增加，平均電子能量增加意味著電子能更有效地激發(fā)更高的振動能級，因此分子振動溫度總體上呈現(xiàn)出增加趨勢[17].通過Texc計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在混合氣體流動與不流動2種情況下，Texc隨Ua增加而略有減小，這可能是由于隨著外加電壓增加，高能電子與工作氣體原子發(fā)生非彈性碰撞將電子能量傳遞到分子，因此Texc略有減小.

圖4 混合氣體不流動的發(fā)射光譜(a)及玻爾茲曼計算氮分子振動溫度擬合圖(b)

圖5 在混合氣體流動和不流動時Tv和Texc隨Ua變化

3 結(jié)論

本工作采用針-板型裝置通過改變外加電壓大小，在大氣壓下將空氣和氬氣混合作為工作氣體，分析了介質(zhì)阻擋放電等離子體的光電特性.結(jié)果表明：輸入功率和分子振動溫度隨外加電壓增加而增大，而電子激發(fā)溫度隨外加電壓增加而減??；當(dāng)外加電壓一定，氣體流動時，功率變大，電子激發(fā)溫度變小，而分子振動溫度基本不變.

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