針板結(jié)構(gòu)Trichel脈沖放電的光學(xué)特性

虞浩章,王非凡,趙建勛,王綏凱,何壽杰,李 慶

河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北省光電信息材料重點實驗室,河北 保定 071002

引 言

電暈放電是氣體介質(zhì)在不均勻電場下的局部自持放電。電暈放電產(chǎn)生的等離子體電子密度高、能量大,可以將大分子污染物電離、降解到原子態(tài),安全可靠且對環(huán)境沒有副作用,在有害氣體降解和材料制備等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

目前實驗中對Trichel脈沖的研究主要包括其伏安特性曲線、電流和電壓波形以及放電圖像等,而對于其發(fā)射光譜的研究較少。發(fā)射光譜法是一種常用的等離子體探測手段,通過發(fā)射光譜可以計算得到電子激發(fā)溫度、分子振動溫度和電子密度等特征量,從而可以進一步揭示其放電機理。本文利用針板電極結(jié)構(gòu)在空氣環(huán)境下研究了Trichel脈沖的放電特性,測量得到了電暈放電的發(fā)光圖像和發(fā)射光譜,并通過發(fā)射光譜計算得到了分子振動溫度、轉(zhuǎn)動溫度和電場強度等參量。

1 實驗部分

圖1為針板電極放電實驗裝置圖。針板電極放電單元的陰極為曲率半徑σ=270 μm的不銹鋼針,陽極為直徑D=3 cm的圓形鉬片,陰極與陽極間距d=1 cm。實驗研究表明,當(dāng)氣壓較低時(幾百帕),Trichel脈沖更加穩(wěn)定和規(guī)則,因此放電單元置于一壓強可調(diào)的真空腔室內(nèi)。針板電極的陰極通過一個阻值為5 MΩ的限流電阻R1與負(fù)直流高壓電源相連,陽極通過一個阻值為10 kΩ的采樣電阻R2接地。限流電阻和測量電阻端的平均電壓和瞬時電壓由高壓探頭V1、V2測量得到。平均電流值可以用測量電阻端的電流表A直接測量得到。通過CCD相機拍攝放電的發(fā)光圖像,通過光譜儀采集放電中的發(fā)射光譜。光譜儀通過透鏡采集針尖附近位置的發(fā)射光譜。透鏡距離針尖約為10 cm。氣體環(huán)境為空氣,氣壓為600 Pa。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic of the discharge system

2 結(jié)果與討論

2.1 伏安特性和放電圖像

圖2為針板電極放電的伏安特性曲線。在本實驗條件下,隨著平均電流的增加,在測量范圍內(nèi)整個V-I特性曲線呈現(xiàn)出Trichel脈沖和正常輝光放電兩種放電模式。部分文獻報道在Trichel脈沖模式放電前一階段電流更低時存在一湯生放電模式,而在本實驗中沒有測量得到此階段。這主要是由于本實驗氣壓較高和限流電阻較低,放電擊穿后直接過渡到Trichel放電模式。由于Trichel脈沖階段電流和電壓均呈周期性變化,因此圖2中此階段電流和電壓均為周期平均值。在平均電流I=20～160 μA范圍內(nèi),為Trichel脈沖放電模式;平均電流I=200～300 μA范圍內(nèi),為無脈沖的正常輝光放電階段。在Trichel脈沖階段,極間電壓隨著平均電流的升高而降低。正常輝光放電階段,隨著平均電流增加,極間電壓基本保持不變。

圖2 放電的伏安特性曲線Fig.2 Voltage-current curve of discharge

圖3為不同平均電流時的放電發(fā)光圖像。由圖可知,不同平均電流的發(fā)光圖像從定性角度而言是相似的。根據(jù)從針尖到陽極平板區(qū)域的發(fā)光強度差異可以分為負(fù)輝區(qū)(NG)、法拉第暗區(qū)(FDS)、正柱區(qū)(PC)和陽極輝區(qū)(AG),如圖3(d)所示。在陰極針體表面,畸化電場使得電子獲得了很大的能量,由于高速電子碰撞電離截面很小,故在陰極表面不發(fā)光。在負(fù)輝區(qū),電子在碰撞過程中能量被消耗,氣體得到有效電離和激發(fā),進而形成發(fā)光。在法拉第暗區(qū),由于空間電場低于畸變之前的電場,故該區(qū)域電離和激發(fā)過程很低,因此形成暗區(qū)。在正柱區(qū),電子向陽極運動過程中與分子發(fā)生非彈性碰撞,接近正離子團中心,電場迅速上升,電子獲得動能后電離效應(yīng)增強,形成正柱區(qū)發(fā)光。由于在陽極附近存在較強的電場,因此陽極附近發(fā)光也較強。

圖3 不同平均電流時的放電發(fā)光圖像Fig.3 Discharge images at different average discharge current

另外,隨著平均電流的增加,電暈放電分區(qū)也發(fā)生明顯變化。平均電流I=20 μA時,NG、PC區(qū)域發(fā)光較為微弱,陰極針尖處放電表現(xiàn)為微弱、模糊的光暈,陽極附近發(fā)光不明顯。電流I>20 μA,針尖附近、正柱區(qū)以及陽極表面的發(fā)光明顯增強。隨著平均電流進一步升高,NG區(qū)域體積基本保持不變,FDS區(qū)域的長度逐漸增加,PC區(qū)域長度逐漸縮小,NG和PC區(qū)的發(fā)光強度不斷上升。最后,如圖3(f)所示,在Trichel脈沖消失時,負(fù)輝區(qū)發(fā)光向陰極針尖收縮,正柱區(qū)向陽極板貼近,并且兩個區(qū)域發(fā)光明顯增強。這表明,Trichel脈沖消失時陰極針與陽極板附近均伴隨有電場強度和電子能量的驟增,放電模式由不穩(wěn)定的放電階段過渡到穩(wěn)定的正常輝光放電階段。

2.2 發(fā)射光譜

圖4 (a) 平均電流I=100 μA時放電發(fā)射光譜;(b) 不同平均電流時的發(fā)射光譜Fig.4 The spectrum of discharge at average discharge current I=100 μA

分子的轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度是描述等離子體性質(zhì)的兩個重要參數(shù)。激發(fā)態(tài)粒子的產(chǎn)生主要是由電子和分子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的,因此振動溫度與電子溫度和電子密度密切相關(guān)。平動與轉(zhuǎn)動間的能量交換非常迅速,使得轉(zhuǎn)動溫度與分子溫度接近,在局部熱力學(xué)平衡條件下,可以用轉(zhuǎn)動溫度Tr近似代表氣體溫度。本文參考文獻[11-12]利用實驗測量得到的氮分子N2(C3Пu→B3Пg,0-2、1-3、2-4) 光譜與Spectiar軟件模擬得到的光譜進行比較計算得到了氮分子的振動溫度Tv和轉(zhuǎn)動溫度Tr。圖5為平均電流I=100 μA時的實驗光譜和擬合光譜。如圖5所示,實驗測量光譜曲線與模擬光譜曲線具有較好的吻合性,模擬得到的轉(zhuǎn)動溫度為438 K,振動溫度為4 325 K。

圖5 N2(C3Пu→B3Пg) 實驗與擬合光譜Fig.5 The experimental and fitted spectra of N2(C3Пu→B3Пg)

本文同時計算得到了不同平均電流時N2的振動溫度和轉(zhuǎn)動溫度,如圖6所示。在本實驗測量范圍內(nèi),分子振動溫度為3 900～4 500 K。在平均電流為40～160 μA范圍,即Trichel脈沖階段,分子振動溫度隨著平均電流的增高先快速上升,然后逐漸變緩。當(dāng)Trichel脈沖消失時,分子振動溫度會出現(xiàn)較為明顯的升高,如圖6(a)中紅色箭頭所示。對于分子轉(zhuǎn)動溫度同樣隨平均電流的增加而升高,但是變化較小,由40 μA時的430 K增加到280 μA 時的447 K,只增加了17 K。這說明針尖附近氣體溫度隨電流的升高變化不明顯。

圖6 不同平均電流時N2分子(a)振動溫度和(b)轉(zhuǎn)動溫度Fig.6 (a) Vibrational temperature and (b) rotational temperature of N2 as function of average discharge current

已有文獻表明,利用氮分子離子譜線391.4 nm和氮分子第二正帶系譜線394.2 nm強度比可以計算得到電場強度[13]。圖7為計算得到的不同平均電流時的電場強度。隨著平均電流的升高,電場強度隨之增強。當(dāng)Trichel脈沖消失時,電場強度出現(xiàn)一明顯的升高。利用此方法計算得到的電場強度范圍為145～190 kV·m-1。當(dāng)放電處于Trichel脈沖模式時,在大氣壓空氣環(huán)境下(1.01×105Pa) 模擬得到的針尖附近的電場強度約為2.5×107V·m-1[14]。按照氣體放電理論,不同氣壓下放電的擊穿和維持所需絕對電場數(shù)值存在很大差別,但是約化電場強度相差不大。本實驗氣體壓強為600 Pa,計算得到的特里切爾脈沖模式下約化電場強度E/P為0.23～0.31 kV·mPa-1。而文獻[15]數(shù)值模擬值得到的大氣壓下約化電場強度為0.25 kV·mPa-1。因此實驗測量結(jié)果和模擬結(jié)果相符合。

圖7 不同平均電流時的電場強度Fig.7 Electric field at different average discharge current

分子的電離和激發(fā)主要是由電子碰撞分子產(chǎn)生。當(dāng)平均電流比較低時,針尖附近的電場強度較弱。而電子能量的提升主要是由電場加速電子產(chǎn)生的,因此電子能量也較低,進而造成電離和激發(fā)均較弱。因此當(dāng)電流較低時處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)量較少,振動和轉(zhuǎn)動溫度較低,針尖附近發(fā)光較弱。由圖2可知,當(dāng)平均電流升高即放電強度升高時,由于外部限流電阻的作用極間電壓反而降低。這說明此階段放電的維持與外加電壓關(guān)系不大,放電強度的增強主要受空間電荷層的影響。此階段隨著電流的增加,陰極附近正電荷層不斷增強,電勢降升高,相應(yīng)的電場強度升高。電離和激發(fā)速率升高,激發(fā)態(tài)粒子密度和分子振動溫度相應(yīng)升高,針尖附近發(fā)光和光譜強度也隨之增強。由于針尖附近電子能量增加,運動速度增快,因此碰撞過程中傳遞給氣體分子的能量也增大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動溫度升高。針尖附近電勢降的升高造成FDS區(qū)電勢降和電場強度相應(yīng)降低,電子需要經(jīng)過較長的距離才能獲得足夠的能量產(chǎn)生電離和激發(fā),因此FDS區(qū)域長度隨著平均電流的升高而增長。當(dāng)Trichel脈沖消失時,針尖附近電場強度出現(xiàn)一明顯升高,因此電子能量和電子密度也隨之突變升高,進而造成激發(fā)態(tài)粒子數(shù)目升高,因此發(fā)光強度和振動溫度隨之出現(xiàn)躍變增加,如圖3(f)和圖6(a)所示。同時陰極鞘層和陽極鞘層寬度會出現(xiàn)突然降低,因此發(fā)光出現(xiàn)向針尖和陽極板的迅速收縮,FDS區(qū)域長度出現(xiàn)突然的增加。當(dāng)放電過渡到正常輝光放電模式后,陰極附近電場強度和電子能量升高不再明顯,此階段電流的升高主要依靠放電面積的增加[15],因此與Trichel脈沖放電階段相比,分子振動和轉(zhuǎn)動溫度、電場強度增長速度均變緩。

3 結(jié) 論

利用針板放電結(jié)構(gòu)在空氣環(huán)境下對Trichel脈沖放電的光學(xué)特性進行了研究,主要結(jié)論如下:

(1) 在平均電流為20～300 μA范圍內(nèi),放電分為Trichel脈沖放電模式和正常輝光放電模式。

(2) 從陰極針尖到陽極平板區(qū)域分為負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)和陽極輝區(qū)。

(3) 利用氮分子的發(fā)射譜帶計算得到了針陰極附近的分子振動溫度、轉(zhuǎn)動溫度和電場強度。分子振動溫度、轉(zhuǎn)動溫度和電場強度均隨平均電流的增加而增加。當(dāng)Trichel脈沖消失時,分子振動溫度和電場強度出現(xiàn)較為明顯的升高。