低温等离子体物理实验教学实践

王合英，陈国旭，葛 楠，李和平，张慧云，包成玉

（1.清华大学a.物理教学实验中心；b.工程物理系，北京100089；2.北京舒杰特科技有限责任公司，北京100089）

1 引 言

等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系，它与固体、液体、气体一样，是物质的一种聚集状态，也称为物质的第四态.常规意义上的等离子体是指当中性气体产生了相当程度的电离，带电粒子浓度超过一定数量时，中性粒子的作用开始退居次要位置，整个系统将受带电粒子的运动所支配，从而表现出一系列不同于寻常流体的新性质.由于电离过程中正离子和电子总是成对出现，二者总数大致相等，所以等离子体呈现宏观电中性［1-5］.

随着等离子体科学与技术的不断发展，气体放电等离子体在焊接、切割、喷涂、微纳米材料合成、空气净化、高危有害固体废弃物处理、空间推进、能量转换、生物医学、国防安全等领域有着广阔的应用前景［6-8］，有望形成支撑21世纪产业和科学技术的重要基础.虽然国内一些高校已经相继开设了一些等离子体基础理论的课程，然而目前有关气体放电等离子体基本特性的实验教学环节还比较薄弱［5］.根据清华大学工程物理系近几年来开展的等离子体观摩实验教学的成功经验，清华大学物理教学实验中心联合北京舒杰特科技有限责任公司共同研制开发了与高校等离子体物理课程相配套的常压低温等离子体物理实验教学系统.

2 实验教学方案设计

2.1 实验目的

1）了解常压低温等离子体的概念以及其产生方式；

2）学习绝缘介质层厚度以及电极间距对介质阻挡放电的电特性的影响；

3）学习气体流量及电源频率对非热电弧放电特性的影响；

4）了解表面介质阻挡放电等离子体的产生，制作不同结构的放电单元，测量其放电特性.

2.2 实验装置

图1 SJ-I型常压低温等离子体实验平台及部分等离子体发生器组件照片

图1为我们研发的SJ-I型常压低温等离子体实验平台及部分等离子体发生器组件照片.该实验教学平台主要由电源及等离子体发生器组件构成，采用积木式配件搭建法，无需真空系统和特殊气体的配气系统，放电现象直观，实验内容丰富，可操作性强.本文以SJ-I型常压低温等离子体实验教学平台上典型的大气压介质阻挡放电等离子体发生器单元为例，结合数字示波器（Tektronix DPO4034）、高 压 探 头 （Tektronix P6015A）、电流探头（Tektronix TCP202）以及光谱仪，对典型的大气压空气介质阻挡放电等离子体特性进行了实验研究.

2.3 介质阻挡放电实验结果及讨论

图2给出了典型的大气压介质阻挡放电等离子体发生器照片图2（a）和相应的结构示意图2（b），其中电极的间距d为2.6mm，介质层的厚度D 为1.4mm.

图2 典型的大气压介质阻挡放电等离子体发生器组建照片及其结构示意图

图3为相应工况下空气放电产生等离子体时的伏安特性曲线及功率-电压曲线.实验测量结果表明，空气被击穿产生介质阻挡放电等离子体的过程可分成3个区间［如图3（a）所示］：在T0区间，在平行板发生器两电极间外加的电压很小，此时在金属电极与绝缘层之间所形成的空气间隙处，通过的电流很小且其变化亦较小.当进入T1区间时，随着两电极间外加电压的逐渐增大，两极板间的电流亦随之逐渐增大.当外加电压达到某一值时空气被击穿放电产生等离子体，放电进入第三阶段（T2区间），此时由于间隙间的空气放电产生等离子体使得发生器两电极间的电导率迅速增大，因而通过的电流也迅速增大.这一放电过程与汤生放电较为相似［4］.图3（b）给出了这一放电过程的功率-电压曲线，从图中可以看到放电消耗功率随输入电压的增大逐渐增大，A点为空气击穿放电时所需放电功率.空气击穿放电产生等离子体后，维持放电所消耗的功率较大，这与放电后放电电流的变化趋势是一致的.

图3 大气压介质阻挡放电等离子体伏安特性曲线及功率-电压曲线

图4给出了空气击穿放电产生等离子体后持续放电时（B点）的放电电压和放电电流波形图.典型介质阻挡放电结构可看成是由两金属电极及两电极间的空气介质和固体绝缘介质构成.由于固体绝缘介质层的介入，在足够大的外加电压下，空气首先会被击穿产生放电，从而在金属电极与固体绝缘层间形成电流通道.从等离子体放电的电流波形图来看，其在正半周期的放电过程中所产生的电流脉冲信号应处于输入电压增大之时，这一过程与图4所给出的放电电流波形图相吻合；在负半周期相应外加电压变化区间有相同的放电现象发生［4］.

图4 大气压介质阻挡放电等离子体的放电电压和放电电流波形图

将该实验平台与光谱仪配合使用还可对气体放电等离子体的发射光谱进行测量分析.图5给出了对应于图3所示B点处的等离子体发射光谱图，图5中右上角为对应的等离子体放电图像.从光谱仪所采集到的等离子体在300～400nm范围内的发射光谱图可以看到，空气放电时发射光谱中存在着OH，N2等化学活性粒子的谱线，其中OH谱线和N2谱线的确定是依据文献［9-10］得到的.

图5 等离子体发射光谱图

3 实验教学体会

在常压低温等离子体实验教学平台上开展的大气压介质阻挡放电等离子体实验，使学生在学习等离子体物理的过程中，对等离子体自身特性及其产生过程有了更加直观且深入的了解，为后期的深入学习打下了扎实的实践基础.在SJ-I型常压低温等离子体实验教学平台上结合数字示波器、光谱仪、流速测量仪等测量仪器共同组成的等离子体物理实验系统，可以开展各类常压或低压条件下的低温等离子体源的放电特性、光谱特性以及流动特性的系列实验，可对等离子体的电特性、光谱特性以及流动特性等进行全方位的学习.从教学的角度来讲，教师可根据实际的教学需求设计不同类型和难度的实验题目，从不同的角度和深度上开展有关等离子体物理的实验教学工作；从学生学习的角度来讲，学生不仅仅可以根据已有的实验指导书完成既定的实验项目，而且还可以在教师的指导下通过查阅相关的资料开展创新性的实验研究工作.目前，我们通过对前期已开展的实验课程的总结和完善，已经基本具备了全面地推广该低温等离子体物理实验教学工作的条件.

目前，我们已经开发完成了与等离子体物理教学相配套的多种气体放电等离子体实验系统，如表1所示.这为学生全面认识气体放电等离子体特性提供了一个良好的实验教学平台.在这一平台上通过学生实际的动手实验，加深学生对于不同条件下各种气体放电过程以及气体放电所产生的等离子体特性的认识，提高学生的实验动手能力和知识的综合应用能力，激发学生对等离子体科学与技术的学习热情，提升学生的科研创新能力.

表1 等离子体物理教学实验（SJ-PLASMA系列）

［1］陈熙.热等离子体传热与流动［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］李定，陈银华，马锦秀，等.等离子体物理学［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］Bogaerts A，Neyts E，Gijbels R，et al.Gas discharge plasmas and their applications［J］.Spectrochimica Acta Part B，2002，57：609-658.

［4］徐学基，诸定昌.气体放电物理［M］.上海：复旦大学出版社，1996.

［5］菅井秀郎.等离子体电子工程学［M］.北京：科学出版社，2000.

［6］张锐，刘鹏，詹如娟.大气压辉光放电研究现状及应用前景［J］.物理，2004，33（6）：430-434.

［7］Gad-el-Hak M.Flow control：passive，active，and reactive flow management［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2000.

［8］Moreau E.Airflow control by non-thermal plasma actuators［J］.J.Phys.D：Appl.Phys.，2007，40（3）：605-636.

［9］Moon S Y，Choe W.A comparative study of rotational temperatures using diatomic OH，O2and N2＋molecular spectra emitted from atmospheric plasmas［J］.Spectrochimica Acta Part B：Atomic Spectroscopy，2003，58（2）：249-257.

［10］Boudam M K，Moisan M，Saoudi B，et al.Bacterial spore inactivation by atmospheric-pressure plasmas in the presence or absence of UV photons as obtained with the same gas mixture ［J］.J.Phys.D：Appl.Phys.，2006，39（16）：3494-3507.