六边形晕斑图等离子体参数的光谱测量

冯建宇，董丽芳，魏领燕，付宏艳, 刘 莹, 牛雪姣

河北大学物理科学与技术学院，河北省光电信息材料重点实验室，河北 保定 071002

六边形晕斑图等离子体参数的光谱测量

冯建宇，董丽芳*，魏领燕，付宏艳, 刘 莹, 牛雪姣

河北大学物理科学与技术学院，河北省光电信息材料重点实验室，河北 保定 071002

在空气与氩气按比例混合组成的气体放电中，研究了由中心点和六边形晕组成的六边形晕斑图。从照片中观察六边形晕斑图结构，发现中心点和六边形晕的亮度有明显的差异，说明中心点和六边形晕可能处的等离子体状态不同。利用发射光谱法，详细研究了该六边形晕斑图结构的中心点和六边形晕的等离子体参数随压强的变化关系。实验根据氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)谱线计算了中心点和六边形晕的分子振动温度； 通过氮分子离子(391.4nm) 与氮分子(394.1nm)谱线强度比，反映中心点和六边形晕的电子平均能量； 利用氩原子696.5nm(2P2→1S5)谱线的展宽，研究了电子密度。实验结果表明： 六边形晕斑图主要范围是氩气含量从60%～75%、压强从30～46 kPa。在相同的压强条件下，六边形晕比中心点的分子振动温度、电子平均能量均要高。随着压强从30 kPa逐渐升高到46 kPa，中心点和六边形晕的分子振动温度、电子平均能量是逐渐增大的。在相同的压强条件下，六边形晕比中心点的谱线展宽要大，且随着压强的升高而增加，表明电子密度随着压强的增大而升高。六边形晕和中心点的等离子体的状态不同，说明二者放电机制上的差异。进一步采用高速照相机对斑图的电流脉冲进行分脉冲瞬时拍摄，发现中心点是由先放电的体放电形成，而六边形晕是由放电晚于体放电的沿面放电形成。

介质阻挡放电； 六边形晕斑图； 分子振动温度； 电子平均能量； 电子密度； 高速照相机

引 言

介质阻挡放电是一种典型的非平衡态交流气体放电[1-2]，因其广泛的工业应用而广为所知。近年来，介质阻挡放电系统因观察到大量的斑图而备受关注。斑图一般分为两类： 一类是由放电丝自组织成的点阵类斑图[3-6]； 另一类是带有圆对称状晕的斑图[7]。最近，本实验发现了一种由中心点和六边形晕组成的斑图。该六边形晕斑图的六边形晕亮度明显弱于中心点的亮度，这表明六边形晕与中心点的放电机制有明显差异，即点与晕的等离子状态不同。由于等离子体的温度及其电子能量决定等离子体的基本宏观特性，因此本工作利用发射光谱法，不仅对六边形晕斑图的中心点和六边形晕的等离子体温度进行了详细研究，还进一步研究了六边形晕斑图中点和晕的不同放电特性。实验中六边形晕斑图的中心点和六边形晕的分子振动温度，是根据氮分子谱线第二正带系计算得到的； 利用氮分子离子谱线与氮分子谱线强度比，分析了中心点和六边形晕的电子平均能量及随压强的变化关系； 利用氩原子696.5 nm谱线的展宽，研究了电子密度。采用高速照相机，对斑图的电流脉冲进行分脉冲拍摄，研究了体放电与沿面放电之间的差异。所得结果对于研究体放电与沿面放电之间相互关系具有重要意义。

1 实验部分

实验装置如图1所示，实验设备主要由水电极、示波器、驱动电源、光谱仪等仪器组成。两个内部装满水的圆柱形有机玻璃柱组成水电极，其浸在水中的金属环与高压高频的交流正弦驱动电源相连接。真空室内充满空气与氩气的混合气体，压强范围为30～46 kPa。水电极之间放一块边长L为2.5 cm、放电间隙d为4.9 mm的六边形玻璃框架。用数码相机(Canon Powershot G1)记录气体放电形成的发光斑图。利用聚光透镜将斑图呈现出放大像，通过光纤探头依次将中心点和六边形晕位置的光导入光谱仪(ACTON ADVANCED SP 2750A)，分辨率： 0.01 nm，光栅： 300，1 800，2 400 G·mm-1, CCD： 1 340×400 pixels，并由计算机进行采集和存储。使用高速照相机(HSFC pro.120PH0047)记录斑图在微观时间尺度的时空结构。

图1 实验装置示意图

2 结果与讨论

图2展示了六边形晕斑图，曝光时间为25 ms，六边形晕斑图由中心点和六边形晕自组织形成。从图中可以看到： 六边形晕的亮度明显比中心点的弱。说明六边形晕与中心点的等离子体状态可能不同。为了进一步研究六边形晕和中心点的差异，采用发射光谱法，测量了六边形晕和中心点的等离子体参量。

图2 六边形晕班图

电压U=5.16 kV； 频率f=56 kHz; 曝光时间25 ms； 气隙4.9 mm

Fig.2 The spot-halo hexagon pattern

The applied voltageU=5.16 kV； The driven frequencyf=56 kHz； The exposure time of the image is 25 ms； The gas gap is 4.9 mm

图3给出了六边形晕斑图随压强和氩气含量变化的相图，如图所示，在不同的氩气含量下，其出图对应的压强也不尽相同。总体的出图范围大约是： 氩气含量60%～75%，压强30～46 kPa。

由斑图中心点与六边形晕亮暗的差别可知，两层结构的等离子体状态不相同，且具有较广泛的出图范围，因此，实验采用发射光谱法，测量了二者随压强变化的等离子体温度。实验中选用300 G·mm-1的光栅，设定中心波长为390 nm，在波长360～420 nm的范围内，采集了氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线，如图4所示。通过对该组发射谱线的处理和分析，采用第二正带系的两组振动序带： (0-2，1-3，2-4)和(0-3，1-4，2-5)，计算出了六边形晕斑图的中心点和六边形晕的分子振动温度。

图3 六边形晕班图气压P随氮气含量χ的相图

图4 六边形晕班图360～420 nm的发射谱线

图5 中心点和六边形晕的分子振动温度随气压的变化

Fig.5 The variation of molecular vibration temperature of the center spot and hexagon halo as a function of gas pressure

图5给出了六边形晕斑图的中心点和六边形晕的分子振动温度随压强的变化关系。从图5可以发现，在压强相同时，中心点比六边形晕的分子振动温度低； 中心点和六边形晕的分子振动温度随压强的增大而升高。中心点的分子振动温度大致在2 300～2 800 K范围，六边形晕的分子振动温度大致在2 500～2 900 K范围。

由于氮分子离子谱线与氮分子谱线的相对强度比可反映其电子平均能量。因此实验给出了氮分子离子391.4 nm谱线与氮分子394.1 nm谱线的强度比随压强的变化关系，如图6所示。由图可知，在同一压强下，六边形晕斑图的六边形晕比中心点的电子平均能量要高； 中心点和六边形晕的电子平均能量随压强的增大而增大。

Fig.6 The variation of the ratio of intensity of the nitrogen molecule ion line and nitrogen molecule line of the center spot and hexagon halo as a function of gas pressure

实验选用2 400 G·mm-1的光栅，中心波长设定为696.5 nm, 利用氩原子696.5 nm(2P2→1S5) 谱线的展宽，研究了中心点和六边形晕的电子密度，原理见文献[8]。图7给出了中心点和六边形晕的谱线。由图可见，谱线的左支交叠，而谱线的右支则是六边形晕的较中心点的向右偏移。

图7 六边形晕班图696.5 nm处的谱线

对Ar Ⅰ发射谱线696.5 nm 的展宽进行计算，图8给出了谱线展宽随压强的变化关系。发现中心点和六边形晕的谱线展宽均随压强增加而变宽，同时，在同一压强下，六边形晕的展宽要大于中心点。等离子体中谱线的展宽与电子密度有关，谱线展宽越大，其电子密度越大。由此说明六边形晕的电子密度大于中心点的电子密度，且均随着压强的增大而增大。

图8 中心点和六边形晕696.5 nm谱线 的展宽随气压的变化

Fig.8 The width of spectral line 696.5 nm of the center spot and hexagon halo as a function of the gas pressure

以上光谱的结果表明，六边形晕斑图中六边形晕和中心点处于不同的等离子体状态。可能是因为二者的放电机制所不同导致，因此采用高速照相机对六边形晕斑图的电流脉冲进行分脉冲瞬时拍摄。六边形晕斑图的电压电流波形图及高速照相机的曝光示意图，如图9(a)所示。对应第一个电流脉冲和第二个脉冲包络的前一部分的，即Δt1时间段的是中心点体放电，它呈现的是中心亮点的三角形大点排布，如图9(b)所示。对应第二个脉冲包络余下部分的，即Δt2时间段的是六边形晕沿面放电，看起来是一团爪状结构，如图9(c)所示。图9(d)是图9(b)和图9(c)的叠加。由以上实验结构可以看出，体放电先放电，沿面放电后放电。也就是，所加驱动电压越过击穿阈值时发生体放电，体放电在介质表面累积壁电荷，然后累积的壁电荷所构建的内建电场达到击穿值后便出现了形成六边形晕的沿面放电。

3 结 论

在空气与氩气按比例混合组成的混合气体放电中，研究了由中心点和六边形晕组成的六边形晕斑图。从照片中观察六边形晕斑图结构，发现中心点和六边形晕的亮度有明显的差异，说明中心点和六边形晕可能处于不同的等离子体状态。利用发射光谱法，详细地研究了该六边形晕斑图结构的中心点和六边形晕的等离子体参数随压强的变化关系。实验结果表明： 六边形晕斑图主要出图范围是氩气含量从60%～75%、压强从30～46 kPa。在相同的压强条件下，六边形晕比中心点的分子振动温度、电子平均能量均要高。中心点和六边形晕的分子振动温度、电子平均能量，随着压强从30 kPa逐渐升高到46 kPa，是逐渐增大的。在相同的压强条件下，六边形晕比中心点的谱线展宽明显，且随着压强的增大而升高，表明电子密度随着压强的增大而升高。采用高速照相机对斑图的电流脉冲进行分脉冲瞬时拍摄，发现中心点是由先放电的体放电形成，而六边形晕是由放电晚于体放电的沿面放电形成。实验结果不仅对研究六边形晕斑图的形成具有重要的意义，而且对于研究沿面放电与体放电之间的相互关系也具有重要的价值。

图9 六边形晕班图的电流电压波形图，高速相机照片及其叠加

(a): Waveforms of the voltage and the current of the pattern and the exposure time of high speed camera; (b): Images exposed corresponding to the current plus phases denoted by Δt1; (c): Images exposed corresponding to the current plus phases denoted by Δt2; (d): The superposition of (b) and (c)

[1] Kogelschatz U. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2003, 23(1): 1.

[2] Kogelschatz U. IEEE Trans. Plasma Sci., 2002, 30(4): 1400.

[3] Breazeal W, Flynn K M, Gwinn E G. Phys. Rev. E, 1995, 52: 1503.

[4] Zanin A L, Gurevich E L, Moskalenko A S, et al. Phys. Rev. E, 2004, 70L: 036202.

[5] Dong L F, Liu F C, Liu S H, et al. Phys. Rev. E, 2005, 72: 046215.

[6] Dong L, Fan W, He Y, et al. Phys. Rev. E, 2006, 73: 066206.

[7] Gerhard J Pietscha, Valentin I. Pure & Appl. Chem., 1996, 70: 1169.

[8] DONG Li-fang, PAN Yu-yang, SONG Qian, et al(董丽芳，潘宇扬，宋 倩，等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2013, 33(1): 48.

(Received Jul. 7, 2015; accepted Nov. 24, 2015)

*Corresponding author

Study on the Plasma Parameters of the Spot-Halo Hexagon Pattern with Optical Emission Spectrum

FENG Jian-yu, DONG Li-fang*, WEI Ling-yan, FU Hong-yan, LIU Ying, NIU Xue-jiao

College of Physics Science and Technology, Hebei University, Hebei Key Lab of Optical-electronic Information and Materials, Baoding 071002, China

The spot-halo hexagon pattern consisted of the center spot and hexagon halo in dielectric barrier discharge is researched, which filled with gas-mixture of argon and air. The pictures taken from the experiment shows that there is an obvious difference on brightness between the center spot and hexagon halo. All of these phenomena suggest that the center spot and hexagon halo are probably in different plasma state. The plasma parameters of the center spot and hexagon halo in the spot-halo hexagon pattern as a function of gas pressure are studied in details by using optical emission spectra. The emission spectra of the N2second positive band(C3Πu→B3Πg)aremeasured,fromwhichthemoleculevibrationaltemperatureofthecenterspotandhexagonhaloarecalculated.Basedontherelativeintensityofthelineat391.4nmandtheN2lineat394.1nm,thechangeoftheelectronaverageenergyofthecenterspotandhexagonhaloasafunctionofgaspressureisinvestigated.Theelectrondensityisstudiedbyusingthebroadeningofthespectralline696.5nm.Itisfoundthatthemainchartofthespot-halohexagonpatternistheargoncontentfrom60%to75%andthepressurefrom30to46kPa.Themoleculevibrationaltemperatureandelectronaverageenergyofthehexagonhaloarehigherthanthoseofthecenterspotatthesamepressure.Asthepressuregraduallyincreasedfrom30to46kPa,themoleculevibrationaltemperatureandelectronaverageenergyofthecenterspotandhexagonhaloareincreased,too.Thebroadeningofthespectrallineofthehexagonhaloisbiggerthanthecenterspotatthesamepressure,whichincreaseswiththegaspressureincreasing.Itindicatesthattheelectrondensityincreaseswithgaspressureincreasing.Thedifferentplasmastateofthecenterspotandhexagonhaloshowthatthedifferentformationsmechanismofthem.Itisfoundthattherearevolumedischargesfirstlyandthencomessurfacedischargeswithehighspeedcamera.

Dielectric barrier discharge; The spot-halo hexagon pattern; Molecule vibrational temperature; Electron average energy; Electron density; The high speed camera

2015-07-07，

2015-11-24

国家自然科学基金项目(11375051), 河北省科技厅重点项目(11967135D)和河北省教育厅重点项目(ZD2010140)资助

冯建宇, 1990年生, 河北大学物理科学与技术学院硕士研究生 e-mail: fengjianyu2010@163.com *通讯联系人 e-mail: donglfhbu@163.com

O461.2； O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1877-05