大气压氦气同轴双气隙介质阻挡辉光放电研究

张玉坤，李 兰，王广宇，陈 梦

（航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

0 引言

近年来，非平衡等离子体助燃技术在辅助点火、增强火焰稳定性等方面展现出极大潜力[1]。与平衡等离子体相比，非平衡等离子体的电子温度较高，中性气体温度较低，在辅助燃烧上活性较强[2]。大面积均匀等离子体的产生是定量的研究非平衡等离子体助燃的基础，也是非平衡等离子体技术推向大规模实际应用的前提[3]。

当前，等离子体多采用气体放电方法产生。传统意义上的非平衡等离子体大多是低气压非平衡等离子体[4]。在气压较高的环境中，气体分子间的平均自由程较短，质量较大的粒子难以获得足够的加速，放电均匀性和稳定性较低[5]，易发展为火花放电或电弧放电。

介质阻挡放电（DBD）是有绝缘介质置于放电空间的一种气体放电[6]，能够在较大的气压和频率范围内产生大气压非平衡等离子体。常见的介质阻挡放电反应器的电极形式主要包括平板型和同轴圆柱型，绝缘介质的放置位置主要包括覆盖在电极表面和悬挂在放电空间两种类型[7]。大气压下，介质阻挡放电的常见形式为丝状流注放电，惰性气体在一些特定的条件下可实现辉光形式[8]。通过研究惰性气体的大气压辉光现象，有助于探究大面积均匀等离子体生成机理，为非平衡等离子体助燃实验研究和工程应用做基础工作。

本文利用一种新型的针-管同轴圆柱型双气隙介质阻挡放电结构，对氦气进行了气体放电实验。获得了放电演化过程图像、电流电压波形以及光谱信息，分析了氦气的大气压辉光放电过程，发现了一些有意义的现象和规律。

1 实验系统和实验方法

1.1 实验系统

实验系统主要包括介质阻挡放电反应器、高频高压交流电源、电压电流测量设备、光学测量设备和光谱仪五部分。实验系统组成如图1所示。

图1 介质阻挡放电等离子体实验系统原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

实验中使用的介质阻挡放电反应器为具有双层放电气隙的同轴圆柱型结构，如图2、图3所示。反应器主要由外电极、内电极、绝缘介质（石英玻璃管）组成。铜管与内部的石英玻璃管构成同轴管道，外电极（负极）为最外层铜管，内电极（正极）为铜杆，放置于石英玻璃管内同轴管中心处。石英管与铜针之间构成第一层放电气隙，石英管与铜管之间的间隙为第二层放电气隙。铜管内径为D1=27mm；石英管外径D2=22mm，内径D3=20mm，壁厚为1mm；铜杆直径1.5mm，长度为100mm。实验中气流通过放电区域后被击穿产生非平衡等离子体。介质阻挡放电反应器实物如图4所示。

图2 介质阻挡放电反应器侧向结构示意图Fig.2 Side view of DBD reactor

图3 介质阻挡放电反应器轴向结构示意图Fig.3 Dielectric view of DBD reactor

图4 介质阻挡放电反应器实物图Fig.4 Real DBD reactor

实验使用的高压电源由南京苏曼电子有限公司生产，型号为：CTP-2000K，电源的频率范围为：1kHz～100kHz，频率可调范围30%，输出电压0～30kV。放电外加电压和电流通过高压探头和电流互感器测量，实验中高压探头由美国Tektronix公司生产，上升时间为14ns，带宽75MHz，最大输入电压为DC20kV，单脉冲峰值40kV。采集到的电流和电压信号由示波器存储显示，示波器是由美国Tektronix公司生产，具有四个可选通道，可对动态信号进行采集分析。该示波器的带宽为500MHz，取样频率为5.0GS/s。放电图像由数码相机和高速相机记录。实验使用了Vision Research公司的彩色高速相机Phantom V711，对放电过程实现高速连续拍摄。本文使用了AvaSpec多通道光纤光谱仪，可在宽光谱范围内实现高分辨率测量，并且能够实现在过程控制中同时进行多次测量。实验中使用的光谱仪具有8个通道，可测量波长范围为197nm～1082nm，波长分辨率为0.03nm。

1.2 实验方法

利用前述实验系统，在大气压下对氦气和氦/氧混合气进行介质阻挡放电实验。调节高频高压交流电源，固定放电频率在12kHz附近，调节变压器改变施加在介质阻挡放电反应器上的电压，使电压由0开始逐渐升高，利用高压探头测量两电极之间的电压，利用电流互感器测量电流，并利用数字示波器记录、保存其电流电压波形。由数码相机记录放电直接图像，由高速相机记录放电演化过程及细节，利用光谱仪采集光谱信号。实验中，在同轴管的内外两个同轴管道内均通入纯度为99.999%的高纯氦，体积流量均为4L/min。

2 结果与分析

氦气的大气压同轴介质阻挡放电图像如图5所示，图中（a）～（d）施加电压逐渐升高。

图5 大气压氦气介质阻挡放电图像Fig.5 Images of Helium atmospheric coaxial DBD

图像显示，氦气在该结构中发生放电，发出较为明亮紫色辉光，均匀覆盖整个电极及石英介质。在径向由正极（管轴）到负极（管壁）具有明显的分层现象。放电刚刚发生时，辉光集中出现在正极尖端，发光较为微弱，放电形态接近电晕放电。随着电压的增大，正极辉光强度增大，同时，负极和介质表面出现暗淡的辉光层；随着电压继续增大，正极、负极和介质附近的发光层亮度和厚度不断增大。整个电压升高过程中，放电空间内没有出现明暗相间的放电细丝，表明这种放电在空间上是均匀的。测得施加电压和电流变化曲线如图6所示。

图6 大气压氦气介质阻挡放电电流电压波形Fig.6 Atmospheric pressure helium DBD current voltage waveform

伏安特性曲线显示，在一个放电周期内，电压首先按照正弦曲线的形式逐渐升高，当升高到一定值时，电压曲线存在一个明显的断崖式下降，与此同时电流波形出现一个较宽的脉冲，即在此时刻气体发生了击穿。在电流脉冲结束后，电压继续按照正弦曲线上升至最大值。在负半周期过程中无脉冲出现。在一定的外加电压下，脉冲电流出现位置及其宽度、峰值是固定的，这表明介质阻挡层之间的气体在大面积的区域同时击穿，该种放电形式的电压电流波形符合典型的大气压介质阻挡均匀放电特征。

电流电压波形在正负半周期表现出的强非对称性，与传统的平板介质阻挡辉光放电，以及单放电气隙的同轴介质阻挡放电都存在明显不同。其原因可能与该种介质阻挡放电反应器结构的非对称性有关。在该结构中，外电极与石英玻璃介质间隙为3.5mm，内电极与石英玻璃介质的间隙为9mm，使得放电气隙的场强大小有较大不同，因此负半周期没有脉冲电流出现。

为了更清晰的反应放电特性，将电源频率调整为10kHz，利用高速相机记录了放电演化过程如图7所示。高速相机像素设置为 400×400，曝光时间 31.89μs，拍摄频率 31000fps。图中（a）～（f）为连续记录的 6 张图像，时间间隔为32μs。图8是从大量图像中不连续的选取了放电过程的不同时刻图像，更加详细的反映了放电过程，高速相机像素设置为512×512，曝光时间39.65μs，拍摄频率25000fps。

图7 放电连续过程Fig.7 Continuous discharge process

由高速相机记录的图7和图8可以观察到放电由阳极开始并沿径向扩展过程。放电初始阶段，在阳极附近出现一个较弱的发光层，此时的放电现象符合电晕放电的特征；随着放电发展，发光层的亮度在某一时刻达到峰值，随即迅速向阴极移动，并在阴极附近形成一个发光层，即负辉光层，如图8（d）所示。这时气隙从阴极到阳极可分为如下几个区域：负辉光区、法拉第暗区、等离子体正柱区、阳极暗区，这种分层结构基本符合低气压辉光放电特征。因此可将该种放电形式的演化过程概括为从电晕放电起始逐渐发展为辉光放电的过程。据此可以判断大气压氦气同轴介质阻挡放电的放电形式为大气压辉光放电。

图8 放电演化过程Fig.8 Discharge evolution process

进一步利用光谱仪测量了混合气的发射光谱。由于探头只能从反应器轴向进行测量，放电发出的光相当于一个闪烁光源，且亮度较低，探头进光量很小。因此必须延长积分时间才能精确的检测的特征谱线，实验中积分时间为5s。延长积分时间也不可避免的使得背景光的谱线强度增大，因此将平均次数设置为20次，以减小误差。

图9为氦气激发产生的等离子体发射光谱图，测得发射光谱的谱线主要集中在550～800nm范围内。通过分析得到实验中介质阻挡放电反应器的发射光谱主要包括He（587.5nm、667.8nm、706.5nm），706.5nm 是整个 He发射光谱中最强最稳定的谱线。

图9 He放电光谱Fig.9 He discharge spectrum

706.5nm 谱线是 He 原子由 He（33S1）阶跃到 He（23P1）时发出的，He原子从基态直接激发到He（33S1）态需要22.72eV的能量，可通过电子直接碰撞或者反应1产生：

其中 He2+由反应（2）和（3）产生：

在低气压情况下，由于电子的能量较高，电子的直接碰撞起主要作用[9]。而在大气压氦气中，反应式（2）和（3）发生的频率非常高，对He原子706.5nm谱线的产生起重要作用。

3 结论

本文利用双气隙同轴介质阻挡放电结构对大气压下流动的氦气进行了介质阻挡放电实验研究，得到了以下结论：

（1）大气压下，氦气在同轴介质阻挡结构中可实现均匀放电，其放电形式为辉光放电。气体放电在电极表面大面积同时击穿，放电空间内无丝状流注结构。 由高速相机记录图像分析可知放电过程为由电晕放电开始，逐渐向辉光放电演化过程。

（2）放电过程在正负半周期具有明显的不对称性，电流脉冲仅出现在放电的正半周期，该现象与介质两侧气隙宽度的不对称性有关。

（3）光谱分析表明，706.5nm谱线是放电光谱中最强谱线，氦气放电激发产生了高能亚稳态He（33S1）。

[1]何立明，刘兴建，赵兵兵，等.等离子体强化燃烧的目前研究进展[J].航空动力学报，2016，7.

[2]Yiguang Ju，Wen-ting Sun，Plasma assisted combustion：Dynamics and chemistry，Progress in Energy and Combustion Science 48，2015，21～83.

[3]李平，穆海宝，喻琳，等.低温等离子体辅助燃烧的研究进展、关键问题及展望[J].高电压技术，2015，6.

[4]王新新.介质阻挡放电及其应用[J].高电压技术，2009，1.

[5]Zhe Y U，Yang H，Huan D U，et al.The Transition of Streamer，Corona and Glow Discharge in the Needle-to-plane Dielectric Barrier Discharge in Atmospheric Air[C].中国物理学会全国静电学术会议，2013.

[6]武占成，张希军，胡有志.气体放电[M].北京：国防工业出版，2012.

[7]何贤俊.电晕介质阻挡放电特性研究 [D].中国科学技术大学，2009.

[8]郝艳捧，郑彬，刘耀阁.大气压氦气介质阻挡斑图放电与辉光放电的转换条件及其演化过程[J].高电压技术，2012，7.

[9]胡宏斌，徐纲，房爱兵，等.非平衡等离子体助燃低热值气体燃料[J].工程热物理学报，2010，9.