针－环式大气压Ar冷等离子体射流的放电特性

潘 静，洪 义，王菊霞

（渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000）

针－环式大气压Ar冷等离子体射流的放电特性

潘 静，洪 义，王菊霞

（渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000）

利用针－环式电极实现了大气压Ar冷等离子体射流.通过等效电路计算得到高压电极与石英玻璃管内壁之间气隙处的传导电流，计算出了峰值电压6.2kV时43.8μs时刻的电场绝对值的1维和2维分布.结果表明：43.8μs时刻接地电极边缘处电场最大，针尖处不会出现放电现象，并且针管内电场为零.发射光谱测量发现激发态的Ar，OH，O，N2等存在于等离子体射流中.模拟氮分子第二正带系C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）的跃迁光谱与实验测得光谱相比较，得到了针尖下方5mm处的气体温度为357K，振动温度为1 349K，利用玻尔兹曼分布法得到电子激发温度为3 221K.

针－环式电极；等效电路；电场绝对值；气体温度；电子激发温度

1 引 言

大气压冷等离子体射流因其独有的特点受到了广泛的关注，比如：气体温度低，容易控制，富含大量的活性粒子，可以广泛地应用于材料表面改性、杀菌、薄膜沉积、生物应用等众多领域［1－9］.大气压冷等离子体射流根据电极结构可分为2种：一种是电极上覆盖介质，通过介质阻挡放电来实现；另一种是电极裸露，通过电晕放电来实现.比如：Nie等人［10］利用悬浮电极在大气压下成功实现了氩气等离子体射流.当电压从2.7kV增加到5.6kV，等离子体射流经历击穿、稳态、非稳态以及消失等过程.Li等人［11］利用单个注射针头在45kHz交流电源激励下成功实现了大气压氩气等离子射流，观察到了石英管内等离子体随着电压增大从电晕、类辉光到丝状放电的演变过程.Walsh等人［12］把缠绕在石英玻璃管外壁上的长1mm的金属薄膜作为高压电极，利用频率为4kHz的亚微秒脉冲电源成功实现了温度接近室温的氩气等离子体射流.但是，上述的冷等离子体射流都是在介质（比如：石英玻璃管）内点燃，而不是在空旷的空气中点燃，这是因为空气中的氧气是电负性气体，很容易捕捉电子使放电熄灭，比如Wang等人［13］发现O2／He等离子体射流中，当氧气的体积分数达到3.2%时，射频电流迅速减小为零.而本文提出的针－环式大气压Ar冷离子体射流直接在空旷的空气中点燃，从而减少了射流在介质内传播时消耗的能量，也缩短了等离子体子弹到达被处理物体所需的时间，这有助于活性粒子更容易与被处理物体接触.

2 实验装置

图1为实验装置的结构图.

图1 实验装置结构图

高压电极为内径1.2mm、外经1.6mm、长51mm的注射针头，插入到内径2mm、外径3mm、长38mm的石英玻璃管内，它们之间用聚四氟薄膜密封，并且石英玻璃管的底部与针尖平齐.接地电极为宽7mm的铜箔，缠绕在石英玻璃管底部上方12mm处.在距石英玻璃管底部下方5mm处水平放置了厚1mm的石英玻璃板，在其下方2mm处垂直放置了光纤探头.

Ar从注射针进入，利用质量流量计控制流量为0.8L／min.电源为幅值0～20kV，频率8kHz的交流电源.采用TextronixP6015A高压探头测量电源输出电压，输出电流通过测量与接地电极串联的50Ω电阻上的电压得到，并记录在TextronixTDS2012B示波器上.放电照片由尼康数码相机COOLPIX S600拍摄.

3 结果与讨论

峰值电压为6.2kV、Ar流量为0.8L／min时的放电图如图2所示.

图2 放电图像

3.1 静电场计算

为了计算出Ar等离子体射流装置的静电场分布，必须要知道积累在石英玻璃管内壁上的电荷，因此首先利用等效电路计算了高压电极和石英玻璃管内壁之间气隙处的传导电流.图3给出了Ar等离子体射流装置的电路模型.

在图3中，电容Cd表示高压电极与接地电极之间的介质电容.电容Cp1和电阻Rp1分别表示高压电极与石英玻璃管内壁之间气隙处放电产生的空气等离子体的等效电容和电阻.电容Cp2和电阻Rp2分别表示Ar等离子体射流的等效电容和电阻.Utot（t），Itot（t），Idp（t），Idc1（t），Idcp（t）和Idc2（t）分别表示总电压、总电流、通过高压电极与接地电极之间介质的位移电流、通过高压电极与石英玻璃管内壁之间气隙的传导电流、接地电极处通过50Ω电阻测量得到的电流、Ar等离子体射流电流.根据基尔霍夫理论可得：

图3 Ar等离子体射流装置的等效电路图

图4给出了峰值电压900V时测量得到的位移电流Idp（t）和总电压Utot（t）的波形.在峰值电压为900V时高压电极与石英玻璃管内壁之间气隙处没有出现放电现象，因此峰值电压900V时测量得到的电流为位移电流Idp（t）.

图4 峰值电压为900V时位移电流Idp（t）和总电压Utot（t）的波形

图5给出了介质电容Cd在2个周期内的变化情况，是根据方程（1）由图4给出的位移电流数据推导得到.从介质电容Cd的波形上可以看出，出现了8个极值，这是因为方程（1）中相应的dUtot（t）／dt值接近零所导致，去除了极值之后对其平均就可以得到介质电容Cd的平均值［14］.

图5 峰值电压为900V时介质电容Cd在2个周期内的变化

图6给出了在峰值电压为6.2kV时Idcp（t），Idc1（t），Idp（t）和Utot（t）的波形.在峰值电压为6.2kV时，高压电极与石英玻璃管内壁之间气隙处出现放电现象，因此峰值电压为6.2kV时用方程（1）和（2）计算得到了位移电流Idp（t）和传导电流Idc1（t）.从图6中可看出，Idc1（t）比Idcp（t）小了很多，这说明Idp（t）在Idcp（t）中占了比较大的比例，并且Idc1（t）的波形上出现了大量的放电细丝，这也与典型的大气压介质阻挡放电电流波形相似［15］.

图6 峰值电压为6.2kV时Idcp（t），Idc1（t），Idp（t）和Utot（t）的波形

利用有限元分析软件ElecNet［16］（试用版）计算了Ar等离子体射流装置静电场的2维分布.计算中所用到的电压和电荷面密度［ρ＝为接地电极覆盖的石英玻璃管内壁的侧面积］是峰值电压为6.2kV时43.8μs时刻（图6）得到，并且认为面电荷密度在石英玻璃管的内壁（接地电极覆盖区域）分布是均匀的.从图6中可以看出，在43.8μs时刻电流Idc1（t）几乎为零，因此可以通过拟合确定石英玻璃管的相对电容率，其值为7.5.聚四氟薄膜的相对电容率取2.55，空气相对电容率取1.

图7给出了峰值电压为6.2kV时43.8μs时刻电场绝对值的2维分布云图，电场强度单位为V／m.图8给出了沿着y＝17mm虚线电场绝对值的1维变化.从图8中可以看出，接地电极边缘处电场绝对值最大，这是因为接地电极边缘处曲率最大，而针管内电场为零.图9给出了沿着y＝5mm虚线电场绝对值的1维变化.从图9中看出针尖处的电场绝对值小于2kV／mm，因此在43.8μs时刻针尖处不会出现放电现象，并且针尖处出现了2个峰值，这是因为针尖的外边缘和内边缘处的曲率大于两者之间处的曲率.

图7 峰值电压为6.2kV时43.8μs时刻电场绝对值的2维分布云图

图8 沿着y＝17mm虚线电场绝对值的1维变化

图9 沿着y＝5mm虚线电场绝对值的1维变化

3.2 光谱特性

图10～12为峰值电压为6.2kV时在针尖下方5mm处测量得到的发射光谱.从图10～12中可以得知Ar等离子体射流中存在激发态的Ar，OH，O，N2等物质，其中OH和O是氧化性很强的活性粒子，因此该Ar冷等离子体射流装置可以应用于杀菌消毒、微生物处理、薄膜沉积等领域.

图10 峰值电压为6.2kV时波长为300～410nm处的发射光谱

图11 峰值电压为6.2kV时波长为410～650nm处的发射光谱

图12 峰值电压为6.2kV时波长为650～900nm处的发射光谱

分别选择图11和图12中的中性Ar原子谱线415.9nm（跃迁：3s23p55p→3s23p54s）和706.7，714.7，738.4，751.5，794.8，800.6nm（跃迁：3s23p54p→3s23p54s），利用玻尔兹曼分布法计算了电子激发温度Texc（K）［10－11］，由图13给出，其纵坐标中的I，λ（nm），g和A（s－1）分别为光强、波长、统计权重和跃迁概率.从图13可得在峰值电压为6.2kV时，电子激发温度为3 221K，与Wei等人［17］在大气压Ar等离子体射流中所得的电子激发温度结果相一致.

图13 峰值电压为6.2kV时玻尔兹曼分布法得到的电子激发温度

氮分子第二正带系C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）跃迁光谱的转动温度Trot（K）常用来确定气体温度［7］，因此在波长为368～382nm范围内对其进行了模拟，并且与实验测得的光谱进行了比较，从而确定出了气体温度.图14给出了峰值电压为6.2kV时氮分子第二正带系的模拟光谱和实验测得光谱.从图14中可以看出，模拟光谱与实验测得光谱吻合得非常好，也就是说电压为6.2kV时距针尖下方5mm处的气体温度仅是354K，而振动温度Tvib是1 349K，比转动温度高出很多，这也说明产生的Ar等离子体射流处于非平衡状态.

图14 峰值电压为6.2kV时波长为368～382nm的氮分子第二正带系C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）跃迁光谱的模拟和实验测量图

4 结 论

1）设计了可以在空气中直接点燃的针－环式Ar冷等离子体射流装置.

2）提出了实验和等效电路相结合计算传导电流的方法，并利用该方法计算得到了峰值电压为6.2kV时高压电极与石英玻璃管内壁之间气隙处的传导电流，继而计算出了43.8μs时刻电场绝对值的2维分布云图和1维分布.结果表明：43.8μs时刻接地电极处电场最大，针尖处不会出现放电现象，并且针管内电场为零.

3）通过发射光谱发现了激发态的Ar，OH，O，N2等物质存在于Ar等离子体射流中，因此该Ar射流装置可应用于杀菌消毒、微生物处理、薄膜沉积等领域.

4）针尖下方5mm处的气体温度仅仅为354K，而振动温度是1 349K，这说明产生的Ar等离子体射流处于非平衡状态.利用玻尔兹曼分布法得到的电子激发温度为3 221K.

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Discharge characteristics of cold atmospheric Ar plasma jet with needle－ring electrode

PAN Jing，HONG Yi，WANG Ju－xia
（College of Physical and Electrical Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China）

Cold atmospheric Ar plasma jet was generated with needle－ring electrode.The conduction current in the gas gap between high voltage electrode and inner wall of quartz glass tube was calculated by equivalent circuit，and the 1Dcurve and 2Ddistribution map of electric field were calculated with applied voltage of 6.2kV at 43.8μs.It was found that at 43.8μs，the highest electric field appeared at the edge of the ground electrode and the discharge could not take place on the needle tip and the electric field within the needle tube was zero.The optical emission spectra indicated that the excited Ar，OH，O，N2species existed in the Ar plasma plume.The gas and vibrational temperature at the position 5mm away from the needle tip were determined by comparing the simulated spectra of the C3∏u→B3∏g（Δν＝－2）transition of nitrogen with the measured spectra，which corresponded to 357Kand 1 349K，and the electronic excitation temperature was determined to be 3 221Kby the Boltzmann plot method.

needle－ring electrode；equivalent circuit；electric field magnitude；gas temperature；electronic excitation temperature

O53

A

1005－4642（2012）11－0013－06

［责任编辑：任德香］

2012－04－05；修改日期：2012－06－22

渭南师范学院研究生专项资助项目（No.07YKZ061，07YKZ060）；陕西省自然科学基金资助项目（No.SJ08A25）

潘 静（1979－），女，辽宁开原人，渭南师范学院物理与电气工程学院讲师，硕士，从事大学物理和电磁学教学理论和实验研究.