大气压等离子体实验演示仪

董 馨，孙智兴，于江涛

(1.北京舒杰特科技有限责任公司，北京 100081；2.河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 063009)

1 引 言

等离子体被称为除固体、液体、气体以外物质的第四态，它由离子、电子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成，宏观上呈现准电中性和集体效应[1]. 自然界中常见的太阳、雷电和极光以及工业中应用的霓虹灯、荧光灯和电弧焊等都属于等离子体. 按照气体温度来划分，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体[2]. 随着等离子体科学与技术在各个领域应用[3-5]的不断拓展，相关的应用基础研究呈现出显著的学科交叉和融合的特点，这势必会对人才培养提出更高和更迫切的需求. 虽然国内高校已经相继开设了一些等离子体基础理论课程，但在等离子体实验教学方面仍然缺乏与理论教学和应用研究相匹配的实验教学仪器[6]. 针对目前国内高校对于等离子体实验教学的需求，结合目前等离子体理论教学内容和热点应用领域开发了系列大气压放电等离子体演示仪，包括等离子体激励器、疯狂的火焰和等离子体音箱. 以下我们将对这3种演示仪的特性进行详细的介绍.

2 实验装置和实验内容

该演示仪的特点是：以空气为放电介质，在大气压下实现放电，因而无需真空系统和特殊气体(如惰性气体)的供给；实现了对等离子体特性从视觉到听觉的全方位展示，既适合于在课堂上做演示实验用，也适合于在实验室中开展具有一定探索性的实践课程的应用. 此演示仪系列中的等离子体激励器和疯狂的火焰可共用1个电源模块，模块化的设计使得演示仪成本低、体积小、重量轻、便于维修和易损件的更换.

3 实验结果及讨论

3.1 等离子体激励器

等离子体激励器的放电类型为介质阻挡放电，该演示仪模块的总体效果图、放电单元结构示意图及电极结构图分别如图1(a)～(c)所示，其放电的伏安特性曲线和功率-电压曲线如图2所示. 等离子体激励器工作时，在上下两极板间施加高压交变电场，在空气被击穿之前，两电极之间为电容；两电极间的电流随外加电压的升高而增加；当两电极间的外加电压达到约6 kV时空气被击穿，在两电极间介质层的上下表面处均会产生介质阻挡放电，但放电强度较弱；随着电压的进一步升高，放电电流和功率逐渐增加，放电区面积和等离子体的发光强度均随之增加；此时气体放电所诱导的电极壁面附近的空气流速亦增加，从而对酒精灯火焰产生明显的扰动(见图3).

(a)总体效果图

(b)放电单元结构示意图

(c)电极结构图图1 等离子体激励器

图2 等离子体激励器放电的伏安特性曲线及功率-电压曲线

(b)放电后图3 离子体激励器放电前和放电后的放电图像及对酒精灯火焰的扰动

3.2 疯狂的火焰

(a)总体效果图

(b)放电单元结构示意图

(c)电晕放电原理示意图图4 疯狂的火焰模块

疯狂的火焰模块的放电类型为电晕放电. 图4给出了该模块的总体效果图、放电单元结构示意图及产生电晕放电的原理示意图. 电晕放电是指带电体表面在气体或液体介质中出现许多局部的电离和激发过程，但电极之间并不击穿或导通而出现的自持放电现象[7]. 此实验模块通过在酒精灯火焰中添加具有多尖端的金属电极，并将该电极与高频高压电源相连，从而在电极尖端产生多处电晕放电[如图4(c)所示]；电晕放电所产生的等离子体对酒精灯火焰产生剧烈扰动，从而导致火焰形状畸变. 图5(a)～(d)分别给出了外加电压为0(参考状态),10.7,17.6,18.9 kV时酒精灯火焰的照片. 可以看到，由于电晕放电的出现，酒精灯火焰出现明显的分叉和脉动；而随着外加电压的增大，火焰分叉增多,脉动亦变得更加剧烈了.

(a)V=0V (b)V=10.7 kV

(c)V=17.6 kV (d)V=18.9 kV图5 不同放电条件下酒精灯火焰发生扰动的对比

3.3 等离子体音箱

等离子体音箱的放电类型为暖等离子体放电. 图6给出了该模块的总体效果图、放电单元结构示意图及典型的放电图像. 当在等离子体音箱的两平行的放电细丝[如图6(b)所示]之间外加大约20 kV的直流高压后，两铜丝之间的空气在该高压电场的作用下击穿形成放电通道，产生暖等离子体. 当放电通道形成后，放电电压中的直流成分迅速衰减，而交流成分(即纹波成分)则占主导地位. 此时，可将音频(可由MP3、手机、电脑等音频设备提供)信号放大后对该交流电压的峰峰值进行调制. 图7为未加入音频信号时输入高压变压器的脉宽调制信号，此时放电稳定，所形成的等离子体如图6(c)所示，该信号为一方波；而当采用音频信号对放电电压进行调制后，可以明显地发现放电电压的脉冲宽度和幅度均在随着音乐的节奏变化(图8)，相应地，所产生的等离子体按照音频的规律跳动，并推动空气震动，从而实现了“会唱歌的电弧”[如图6(d)所示].

(a)总体效果图

(b)放电单元结构示意图

(c)典型的放电照片1 (d)典型的放电照片2图6 等离子体音箱

图7 未加入音频信号时的放电电压波形图

图8 加入音频信号后的放电电压波形图

4 结束语

该套大气压等离子体演示仪直观地向学生展示了3种典型的等离子体的放电图像和特性，包括介质阻挡放电、电晕放电及非热电弧放电(暖等离子体). 该套演示仪很好地展示了大气压气体放电等离子体的一些基本特性和典型应用，而且有利于通过引导学生对实验现象进行细致的观测和深入的剖析加深对等离子体基础理论知识的学习和掌握.

参考文献：

[1] Chen F F. 等离子体物理导论[M]. 林光海译. 北京:人民教育出版社,1980:1-20.

[2] 陈熙. 热等离子体传热与流动[M]. 北京: 科学出版社,2009:1-14.

[3] 江南. 我国低温等离子体研究进展[J]. 物理, 2006,35(2):130-139.

[4] 孟月东,钟少锋,熊新阳. 低温等离子体技术应用研究进展[J]. 物理,2006,35(2):140-146.

[5] Moreau E. Airflow control by non-thermal plasma actuators [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2007,40(3):605-636.

[6] 王合英,陈国旭,葛楠,等. 低温等离子体物理实验教学实践 [J]. 物理实验,2013,33(3):35-38.

[7] 张海峰,庞其昌,陈秀春. 高压电晕放电特征及其检测[J]. 电测与仪表,2006,43(482):6-9.