常压直流脉冲辅助射频放电起辉过程研究

赵文亮， 郭 颖， 任吉达， 张 杰， 张 菁， 石建军

(东华大学 理学院，上海 201620)

常压直流脉冲辅助射频放电起辉过程研究

赵文亮， 郭 颖， 任吉达， 张 杰， 张 菁， 石建军

(东华大学 理学院，上海 201620)

采用组合电极结构产生常压等离子体射流，对直流(DC)脉冲辅助射频放电进行试验研究．在每个射频脉冲产生之前，引入一个微秒级DC脉冲放电，通过采集放电电流和电压曲线以及时间分辨放电图像，研究这种组合放电的电学特性及时空分布．结果表明，在射频放电脉冲中间引入微秒级DC脉冲放电之后，使射频放电脉冲起辉电压从3．86 kV降低到1．61 kV，提高了常压脉冲射频放电的稳定性，可为常压射频放电在工业上的连续化应用提供技术依据．

常压等离子体射流； 射频放电； 直流脉冲放电； 放电起辉

常压等离子体射流在医学、生物和材料领域都有广泛的应用[1-3]．常压等离子体射流相比于其他等离子体放电形式(电晕和火花放电)，其具有等离子体温度低、放电装置简易、化学活性强等优点[4-6]．近年来，常压等离子体射流因其成本低廉，适合对复杂形状材料进行表面处理，成为低温常压等离子体研究领域的热点之一[7-10]．

常压等离子体放电激发频率通常集中在千赫兹和兆赫兹之间[11-12]．激发频率在千赫兹范围的常压介质阻挡放电(DBD)或高压直流(DC)脉冲放电，两者均为脉冲性放电．在介质阻挡放电的情况下，由于电荷在介质表面的累积效应，每个高压脉冲期间在靠近上升沿和下降沿处分别发生一次放电．而且高压脉冲时间可以短至十几纳秒，放电稳定性容易控制．文献[13]通过毫米干涉仪测得的常压脉冲放电峰值时电子密度达到8×1012个/cm3，且气体温度仍能保持在室温附近．但是由于高压脉冲的重复频率一般在10 kHz以下，在一个周期的大部分时间内没有放电，因此，放电产生的等离子体平均密度不高，限制了其应用的范围．

激发频率在兆赫兹范围的常压射频辉光放电，由于激发频率较高，放电产生的电子随外加射频电压在两个放电极板间来回振荡，可在整个时间周期内维持放电，表现为连续性放电．因此放电的击穿和维持电压都比较低，产生的等离子体中活性粒子密度高，约为1010～1013个/cm3(氦气中)，对应的体相化学反应速率高[14]．此外，常压射频辉光放电的气体温度较高(200～500 ℃)[15]．为了解决常压下射频放电存在的热不稳定性、气体温度高等问题，采用脉冲调制射频放电．文献[16]研究发现，当调制脉冲频率的占空比小于0．5%时才能获得稳定的大气压辉光放电.文献[17]研究发现，在增加介质阻挡后当调制脉冲频率的占空比为6%～8%时能获得较为均匀的常压辉光放电．从这些研究中可以发现，放电调制脉冲频率以及占空比将决定在射频脉冲功率期间等离子体的放电机理和特性，但还是不能有效地提高等离子体密度和降低气体温度，抑制其热不稳定性，以及提高功率利用率．

在上述研究基础上，本文通过DC脉冲射流放电来辅助射频放电起辉，在射频放电脉冲“关闭”阶段引入高压DC放电脉冲，主要研究这种新型放电形式的电流-电压特性和放电的时空分布，揭示高压DC放电脉冲对射频放电脉冲起辉时的作用．

1 试验装置

图1 试验装置示意图Fig．1 Schematic of the experimental device

DC脉冲辅助射频放电系统试验装置如图1所示，放电装置包括放电腔体和两组电极．第一组电极接DC脉冲源，电极间距为3 cm；第二组电极接射频源，电极间距为1 cm，放电腔体采用石英管(外径为6 mm，内径为4 mm，长度为10 cm)．放电气体为纯度99．99%的氦气，气体流量为2 L/min，放电气压为1×105Pa．试验中的射频信号源激发频率为13．56 MHz，调制频率为5 kHz，占空比为50%，由Advanced Energy 电源(CESAR 1320 400 V型)和匹配器Advanced Energy(VM5000W型)提供．DC信号由Spellman DC电源(sl 2000型)和脉冲开关(DEI pvx -4110型)提供，其频率为5 kHz，脉宽为1 μs．利用高压探头(Tektronix P5100型)和电流探头(Pearson 2877型)分别将射频和DC放电的电流电压波形由数字示波器(Tektronix TDS3034C型)显示，同时采用增强电荷耦合器件(ICCD)相机(Andor i-Star DH734型)来拍摄放电图像，其图像曝光时间为10 ns．

2 结果与讨论

2．1 放电的电流和电压曲线

图2 DC脉冲辅助射频辉光放电电流和电压图Fig．2 Current and voltage waveform of DC pulse assisting radio-frequency(RF) discharge

通过信号控制，在两个射频放电脉冲之间引入一个DC脉冲放电，DC脉冲与下一次射频脉冲时间间隔为20 μs．DC脉冲辅助射频放电的电流和电压曲线如图2所示．其中，图2(a)是ICCD相机触发信号的波形，其频率为5 kHz，与DC和射频脉冲调制频率相同并同步；图2(b)是DC脉冲放电的电压曲线，频率为5 kHz，脉宽为1 μs，电压的峰值为4．23 kV；图2(c)是射频放电的电压曲线，调制频率为5 kHz，占空比为50%，电压的峰值为1．01 kV；图2(d)是DC脉冲放电和射频放电的电流曲线，两者电流峰值分别为0．05和0．03 A．图3是DC放电的电流和电压曲线的放大图.由图3可知，在DC脉冲放电的上升沿和下降沿各有一次放电，第一次放电是由于外加电压导致的气体放电，放电后空间电荷在电场的作用下积累到介质层表面，这些电荷就产生了第二次气体放电[18]．

图3 DC脉冲放电的电流和电压曲线Fig．3 Current and voltage waveform of DC pulse discharge

2．2 DC脉冲放电辅助射频放电脉冲的时空分布

图4 DC脉冲辅助射频放电强度分布图 (插图为DC脉冲放电放大图)Fig．4 Image intensity of DC pulse and RF discharge (Illustration is enlarged of DC pulse discharge)

一个调制周期的DC脉冲辅助射频放电脉冲的强度分布如图4所示．每张放电照片的曝光时间都为10 ns，在射频脉冲放电开启时，相邻两张放电照片的时间间隔为1 μs，而在DC脉冲放电开启时，相邻两张放电照片的时间间隔为10 ns．提取出每张放电照片中最大放电强度的数据并对其进行归一化处理．DC脉冲和射频放电在一个控制周期内的时间分别为80．25～81．25 μs和115～200 μs．由图4插图可知，DC脉冲放电在一个控制周期内产生两个放电脉冲，这与图3中的DC脉冲放电的电流峰的位置相对应．放电强度在正向电流峰时达到最大值为100．在射频放电的一个控制周期内，最大放电强度为2．58，这也与图2中的射频放电的电流和电压曲线在115～200 μs时相对应．当时间在115～145 μs时，放电强度从0．15增加到2．25，为射频脉冲放电的起辉阶段；当时间在146～197 μs时，放电强度基本保持不变，射频放电进入稳定阶段；当时间在197～204 μs时，放电强度从2．4快速地下降到0．1，说明这个周期的射频放电已经熄灭．

DC脉冲和射频放电的时空分布如图5所示．由图5可知，放电时空分布与图4中的放电强度分布图相对应．DC脉冲放电和射频放电分别产生在放电间距为0～3．0 cm和3．6～4．6 cm处．在时间115～145 μs内，射频放电处于起辉过程，这与图4中的射频放电强度分布图相对应．DC脉冲放电时空分布的放大图如图6所示．由图6可以发现，等离子体子弹经DC脉冲电极，再穿过接地电极，最后到达射频电极．

图5 DC脉冲和射频放电的时空分布Fig．5 Temporal evolution of discharge spatial profile in DC pulse and RF discharge

图6 DC脉冲放电的时空分布Fig．6 Temporal evolution of discharge spatial profile in DC pulse discharge

2．3 DC脉冲放电对于射频放电起辉电压的影响

由于射频等离子体射流在常压下较难起辉，气体击穿电压较高．在射频放电和DC脉冲辅助射频放电下，射频放电起辉电压随放电间距的变化如图7所示．在试验中，首先保持DC脉冲放电强度不变，再逐渐增加射频放电的功率，记录其起辉电压值．由图7可知，在引入DC脉冲放电后，射频放电的起辉电压有了显著的降低，在放电间距为1．0 cm时，脉冲调制射频放电起辉电压从3．86 kV下降到1．61 kV．DC脉冲和射频脉冲的时间间隔为20 μs，结合图6可知，DC放电脉冲可进入射频放电区域，一般电子、离子和活性粒子寿命为几十个微秒，所以DC脉冲放电所产生的电子、离子和活性粒子辅助了射频放电的起辉[19]．

图7 射频放电和DC脉冲辅助射频放电下不同放 电间距的射频起辉电压Fig．7 Ignition voltage of RF discharge with and without DC pulse discharge at different RF distance gap

3 结 语

本文采用一种新型的组合电极的常压等离子体射流放电装置，在射频放电脉冲“关闭”阶段引入高压DC脉冲，研究了DC脉冲辅助射频放电产生的等离子体起辉和熄灭的物理过程，揭示两种放电相互作用的物理问题以及对常压射频脉冲放电的辅助作用．在DC脉冲放电产生的电子、离子和各种活性粒子的辅助下，射频放电的起辉电压从3．86 kV下降到1．61 kV．本文提供了一种在较低射频功率下获得稳定常压射频射流放电的新方法，为获得高密度、高活性、低气体温度和能耗的常压辉光放电技术提供前期的试验依据．

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(责任编辑：徐惠华)

Study of Discharge Ignition in Atmospheric-Pressure Radio-Frequency Plasma Jet Assisted by Direct Current Voltage Pulses

ZHAOWenliang，GUOYing，RENJida，ZHANGJie，ZHANGJing，SHIJianjun

(College of Science， Donghua University， Shanghai 201620， China)

The direct current (DC) pulse assisted atmospheric-pressure radio-frequency(RF) plasma jet generated with the combined electrode configuration was studied． The sub-microsecond DC pulsed discharge was introduced between the pulse-modulated RF discharge bursts． The discharge characteristics and spatio-temporal evolution were investigated through the current voltage characteristics and time resolved imaging． The results show that the introduced DC pulse discharge assists the ignition of RF discharge burst by reducing the ignition voltage of RF discharge burst from 3．86 kV to 1．61 kV． It provides the way to achieve the stable atmospheric RF discharge bursts for potential applications in industries．

atmospheric-pressure plasma jet； radio-frequency discharge； direct current pulsed discharge； discharge ignition

1671-0444(2017)01-0134-05

2015-12-10

国家自然科学基金资助项目(11475043，11375042)

赵文亮(1990—)，男，上海人，硕士研究生，研究方向为常压等离子体放电原理.E-mail: 13816385740@163.com 郭 颖(联系人)，女，副教授，E-mail：guoying@dhu.edu.cn

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