两种不同主放电区长度的双高压等离子体射流源的研究

金 英，史冬梅

（渤海大学 物理科学与技术学院，辽宁 锦州 121013）

0 引言

近些年来，等离子体技术因其应用面广，且其自身环保无污染等优点，越来越被人们应用在生产、生活、医疗、除污乃至国防，航空等高端领域［1−6］.为了满足生产生活各方面的需要，学者们也在逐步改良优化各种等离子体源［7−12］，相比于高温等离子体射流装置，大气压低温等离子体射流装置可以不依赖真空装置，有利于大规模连续的流水线工业生产，而且设备可重复性强，适用于对环保要求很高的工业生产.低温等离子体射流在电场和气流共同驱使下，促使管内放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出，因此在实现放电区域与工作区域分离的同时，又保证了大部分活性物种和载能带电粒子能够输运到工作表面，基于上述特点，大气压低温等离子体射流在产品表面加工、清洗、微创医疗等方面具有良好的实用性［13−15］.

研究表明，在大气压低温等离子体射流工作过程中，射流等离子体中的活性粒子起到了主导作用，活性粒子浓度越高，工作效率越高，因此一般需要以活性气体为工作气体，以惰性气体为载气.本实验为了获得具有更高活性粒子浓度的等离子体射流，以O2作为工作气体，Ar作为载气，为了保证在放电稳定的情况下获得尽可能高的O浓度，就必须尽可能提高O2在Ar中的混合比例，在此基础上，尽可能使放电在高功率密度下运行，产生比较高的放电等离子体密度.但当O2在Ar中混合比例较高时，由于放电击穿电压过高就会形成弧光放电或者丝状火花放电模式，所以当放电强度过强时，放电又很容易产生热不稳定性而过渡到弧或丝状火花放电模式［16−17］.如果采用预电离技术，既可以提高O2在Ar中混合比例，又可以充分降低放电击穿电压，从而产生稳定的辉光放电模式，因此可以在保证放电稳定的基础上有效提高放电强度［18−19］，我们在这方面也做了大量研究工作［20］.本文主要研究采用大气压Ar气放电低温等离子体射流作为预电离源，可以为O2主放电提供种子电子与亚稳态粒子，从而降低O2放电的击穿与维持电压，使O2放电能在低电压下击穿，这样就使得O2容易实现稳定的辉光放电模式.并在此基础上，改变主放电区长度，探究放电区长度如何影响放电特性，优化预电离等离子射流技术的设备结构与运行参量，可为进一步改善预电离技术提供理论基础和依据，使其预电离效果获得最大化，从而获得高化学活性的低温等离子射流，从而降低制造与运行成本.

1 预电离低温等离子体射流源

预电离低温等离子体射流源发生器的主体结构是一个内外径分别为0.51 cm和0.69 cm，长为20 cm的石英玻璃管，石英管上端紧密的套着侧端有通气孔的聚乙烯，氧气可由此通气孔（通过转子流量计控制氧气的流量为50 sccm）通入，如图1所示.一根从上端插入的中空的不锈钢针头与Ar气相通（通过转子流量计控制氩气的流量为2 slm），同时这根不锈钢针与驱动电源（电源频率为15～40 kHz，峰值电压为0～10 kV）相连作为预电离源.为了进一步探究主放电区长度对预电离放电的影响，将宽为10 mm的铝箔紧密缠绕在距不锈钢针顶端8.5 cm或12.5 cm处，并也与不锈钢针的驱动电源相联，作为另一个工作电压；另有相同宽度的铝箔紧密缠绕在距石英管喷口1.5 cm处，并与地线相连作为预电离源的地极.由于第二工作电压的位置不同，主放电区长度分别设计6 cm和10 cm.实验过程中，放电峰值电压维持在8.5 kV，电源频率由17 kHz以每次2 kHz递增至35 kHz，探究主放电区长度不同时，电源频率的递增对放电特性的影响，利用示波器（Tektronix DPO 4104）记录电流信号；分析了电源频率的递增对放电电功率，电子密度的影响.

2 不同长度的主放电区，放电电流随电源频率的变化

实验中，分别采集了主放电区长度为6 cm和10 cm时，电源频率由17 kHz以每次2 kHz递增至35 kHz的电压、传导电流波形图.图2是所得到的电源频率分别为23 kHz和25 kHz时的电流电压波形图.由图可见，在放电区长度不变时，等离子体射流的电流脉冲会随着放电频率的提高而升高.而当主放电区长度不同，电源频率相同时，电流脉冲正负峰值明显不同，主放电区长度为10 cm时，电流脉冲正负峰值更高，说明在相同的电源频率下，低温等离子体射流的放电强度受到放电区长度的影响.

为了精确地分析电源频率由17 kHz以2 kHz递增至35 kHz，电流受主放电区长度的影响，我们利用所得到的传导电流波形图，并通过（1）式计算得到两种放电长度的传导电流均方根值随电源频率的变化情况［21］，如图3所示.

上式中，N为这个周期内传导电流的数据个数.

在图3中，不同的放电区长度，电流均方根随电源频率变化的趋势并不相同.主放电区长度为6 cm时，电流均方根随电源频率增高而增加，但在电源频率增高到23 kHz时，电流均方根发生突涨，之后电流均方根随电源频率增高而继续平稳增加.主放电区长度为10 cm，电流均方根随电源频率增高而平稳增加，没有发生突涨的现象，同时，电流均方根值明显高于相同电源频率的放电区长度为6 cm的电流均方根值.从而可以看到电源频率会影响等离子体射流的电流，同时，主放电区长度决定着电源频率对电流的影响程度.

主放电区长度会影响放电产生的电子响应电场的能力.再一次放电前，如果电子能够响应电场，运动到放电出口以外，则电子被消耗掉，无法参与下次放电；但如果电子在下次放电前无法及时响应电场，就会被滞留在放电区内往复振荡，从而使电流持续增涨.对于大气压氩气放电中电子的迁移速度满足（2）式，

由（2）式可以计算得到放电电压为8.5 kV时，主放电区长度为6 cm，电子的迁移速度为5.8×105cm/s；长度为10 cm时，迁移速度为3.48 cm/s.我们可以根据电子的迁移速度计算出电源频率由17 kHz以每次2 kHz递增至35 kHz对应的四分之一电压周期内电子的迁移距离，见表1.

表1 放电频率的四分之一电压周期内电子的迁移距离

由表1可以看到，当主放电区长度为6 cm时，放电频率不高于23 kHz时，电子迁移距离大于6 cm，电子能够及时响应电场，在下次放电之前到达介质表面消耗掉.而放电频率一旦高于23 kHz，电子迁移距离就会小于6 cm，导致电子无法及时响应电场而残留在放电区内往复振荡，从而降低下次放电的击穿电压，促使放电变强，因此，在放电频率达到23 kHz时，电流突涨，之后随着电源频率继续增加，更多滞留在放电区的电子促使电流持续增涨.而当主放电区长度为10 cm时，电源频率从17 kHz时，电子就不能及时响应电场而滞留在放电区，因此，图3中电流持续增涨，没有出现明显突涨，然而，电子没能够在接下来的放电开始前到达放电管出口以外，而被滞留在放电管内参与到下次放电中，放电的击穿电压因此被降低，促使电源频率相同时，10 cm的放电区长度的射流设备产生更强的电流.由此可见，电流会随着电源频率的增高而增加，但同时放电区长度会影响电源频率对电流影响的程度.

3 不同长度的主放电区，电子密度随电源频率的变化

研究不同放电区长度产生等离子体射流的电子密度随电源频率的变化可以验证上文的分析.本文中利用（3）式来近似计算放电长度分别为6 cm和10 cm时的等离子体射流中电子密度［22−24］.

上式中，j为电流密度，可由电流均方根与放电横截面积的比值估算出，vd为电子漂移速度，可由下式计算：

式中E为电场强度，可由放电电压估算得到，μe为电子迁移率，可由（2）式计算得到.将（4）式代入（3）式中可得：

由（5）式可计算得到两种放电区长度时，电子密度随电源频率的变化情况，如图4所示.

图4中，放电区长度为6 cm时，电子密度随电源频率变化同电流随电源频率变化一样地呈现出两种不同的趋势，随着电源频率增高但还没有达到23 kHz时，电子密度呈现平稳递增的趋势，电源频率一旦增高到23 kHz，电子密度出现突增，之后又再次随着电源频率的增高而平稳的增加.当放电区长度为10 cm时，电子密度随电源频率的变化同电流随电源频率的变化趋势基本一致，电子密度随着电源频率的增高而持续平稳的增加，并没有出现突涨.同时，电源频率相同时，10 cm的放电区长度的射流设备产生更多的电子.因此可以说明，主放电区长度确实会影响放电产生的电子响应电场的情况，如本文中放电长度为6 cm时，23 kHz是该长度等离子体射流源的临界电源频率，不高于该频率，电子来得及响应电场，电子会到达介质层而消耗掉，但一旦达到该频率，电子不能够在接下来的放电开始前到达放电管出口以外，而被滞留在放电管内参与到下次放电中，放电的击穿电压因此被降低，增强放电强度，因此电子密度也会突增.同样，本文中放电长度为10 cm时，电子迁移距离始终小于放电区长度，因此大量电子来不及响应电场而滞留在放电区往复振荡，进而促使放电增强，导致相同频率下，放电区长度为10 cm的等离子体射流源电子密度高于放电区长度为6 cm的等离子体射流源电子密度.

4 不同长度的主放电区，电功率随电源频率的变化

等离子体射流的电功率是反映等离子体射流放电特性的重要参量，接下来我们利用李萨如图形法探究两种放电长度等离子体射流源的电功率随电源频率的变化趋势.

为了得到李萨如图形，我们将一个无损耗测量电容（360 pF）以串联的方式组装在低温等离子体射流装置中，传输电荷可通过电容两端的电压获得，并由示波器X端子采集得到；而Y端子采集外加电压，便得到李莎如图形.同时，通过测量电容两端的电压，即可得到放电电流：

式中，UM为电容两端电压.当外加激励电压为U，一个放电周期T内，电功率可由下式得到：

将（6）式代入（7）式可得到：

式中f为电源频率，本实验的电源频率由17 kHz以2 kHz递增至35 kHz.由上式可以看出，射流的电功率可由每个周期射流损耗的能量得到，即可计算得到等离子体射流的电功率.

利用李萨如图形的方法，并利用（8）式计算得到两种不同放电区长度时等离子体射流的电功率随电源频率的变化趋势，如图5所示.

图5中，放电区长度为6 cm时等离子体射流源的电功率随电源频率的变化趋势同电流和电子密度变化趋势基本一致，同样在23 kHz时出现突增；放电区长度为10 cm的等离子体射流源的电功率随电源频率与电流和电子密度的变化趋势基本一致，电功率随电源频率的增高而持续平稳的增加；同时当电源频率相同时，相比于放电区长度6 cm的射流设备，10 cm长度的射流设备的电功率更高.由此可见，等离子体射流的电功率随电源频率的变化程度也会受到放电区长度的影响.放电区长度对等离子体参量随电源频率变化影响的研究可以为设计和优化高效等离子体射流源研究提供理论依据.

5 结论

本文采用主放电区长度分别为6 cm和10 cm的双高压单管等离子体射流装置产生O2/Ar等离子体射流.探究了等离子体射流的电流，电子密度和电功率随电源频率的变化趋势.研究发现，这些参量随电源频率的变化趋势并不相同，对于主放电区长度为6 cm的射流设备，23 kHz应该是它的临界电源频率，没有升高到该频率之前，随着电源频率的升高，等离子体射流的放电特性（电流，电子密度和电功率）呈现平稳递增的趋势，一旦到达临界频率，这些参量会有突增，之后又随着电源频率的增高而持续平稳的增加；对于放电区长度为10 cm的射流设备，随着电源频率的升高，等离子体射流的放电特性（电流，电子密度和电功率）持续平稳的增加，同时，电流，电子密度和电功率高于相应电源频率的6 cm的主放电区长度产生的等离子体射流参量.由此可见，电子可否参与到下一次放电中而增强放电，是由电源频率和主放电区长度这两个参数的匹配程度决定的.因此，在设计和优化高效等离子体射流源的时候，我们必须根据需要选择合适的主放区长度与电源频率.