Ar 等离子体射流助燃空气/Ar 介质阻挡放电光谱特性研究

邓国礼，洪义（通讯作者），刘逸飞

（大连民族大学物理与材料工程学院，辽宁大连，116600）

介质阻挡放电的特点在于通过把绝缘介质（石英、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等）插入到几毫米到几厘米的放电空间[1-3]，使载流子积累在介质表面，形成与外加电场方向相反的的内建电场，进而减小放电空间内的总电场，有效地抑制放电电流的自由增长，从而避免放电过渡到弧光放电或火花放电，并且放电空间内的电子能量高，放电稳定和均匀[4]。通过研究发现，OH、O 等许多活性粒子主要是在介质阻挡放电的丝状微放电通道中产生[5]，并且对空气净化、杀菌、材料表面改性、薄膜沉积、水中有机污染物去除等方面起到重要的作用[6-8]，因此过去几十年里介质阻挡放电受到人们广泛关注。

总所周知，在Ar 等离子体中参入少量的空气有助于产生更多的活性粒子，但是随着空气含量的增加放电极其不稳定，很容易熄灭。这是因为氧气作为电负性气体，放电过程中通过迅速捕捉电子产生氧负离子[9]，所以需要相对较高的工作电压才能产生和维持空气/Ar 介质阻挡放电。为了解决这个问题，本文提出了氩气等离子体射流助燃空气/Ar 介质阻挡放电装置。该装置的特点在于通过预先形成Ar 等离子体射流，为高压电极周围空气/Ar 介质阻挡放电提供种子电荷，使放电击穿电压得到明显减小，进而减小了装置的能耗，并对其进行了电学特性和光谱特性诊断。

1 实验装置

图1 给出了Ar 等离子体射流助燃空气/Ar 介质阻挡放电的实验装置。从图1 中可以看出该实验装采用了针-板式电极结构，高压电极为一根外径10 mm、内径2 mm、长200 mm的不锈钢空心钢管，低压电极为直径30 mm、厚0.3 mm的铜箔。在低压电极的上方放置了直径40 mm、厚1 mm的石英玻璃板，作为阻挡放电的绝缘介质。高压电极的下端作为放电端距离石英玻璃板2.5 mm。

图1 实验装置结构图

Ar 气体（纯度为99.999%）作为工作气体，从高压电极的上端进入，并利用质量流量计控制其流量为1 L/min。电源采用高频交流电源，峰值电压范围为0～30 kV，频率范围为0～20kHz，本次实验固定其频率为8 kHz。放电过程中的电压-电流波形利用高电压探头（Textronix P6015A）和罗氏电流线圈（Pearson 4100）测量得到，并利用示波器（Tektronix MDO3012）记录其波形。300-850 nm 波长范围内的特征发射光谱利用光谱仪（Acton Research Spectrapro-2500i）测量得到，并设置光栅为300 槽mm-1，狭缝宽度为20 μm。光谱仪的光纤探头放置在距石英板上方1mm、高压电极侧面20mm 处。

图2 给出了峰值电压为9 kV 时，利用数码相机（EOS 5D Mark III）拍照得到的放电照片。从该图中可以看出，高压电极下端的中心处形成了柱状氩气等离子体射流，而其周围形成了丝状介质阻挡放电的空气/Ar 等离子体，说明Ar等离子体射流可以很好的助燃空气/Ar 等离子体。之所以能够产生这种放电现象，是因为大气压下氩气的击穿电压比空气小，进而先击穿，为空气/Ar 放电提供了种子电荷，因此比单纯的空气/Ar 放电所需的击穿电压小，进而减小了能耗。

图2 峰值电压为9 kV 时放电照片

2 结果与讨论

■2.1 电学特性诊断

图3 给出了峰值电压为9 kV 时测量得到的电-电流波形。从该图中可以看出，放电电流波形上出现了许多脉冲细丝，说明高压电极与接地电极之间形成了大量的微放电通道，并且电流脉冲最大值达到了172.49 mA。另外，工作电压正半周期对应的电流脉冲值明显大于工作电压负半周期对应的电流脉冲值，这是因为两个电极形状不同导致，即高压电极曲率半径远小于接地电极曲率半径。

图3 电压-电流波形图

图4 给出了放电功率随峰值电压的变化。放电功率是通过接地电极串联1 μF的电容，测量李莎茹图形，并利用公式P=fC mS计算得到，式中P、f、Cm、S分别表示放电功率、电源频率、接地电容和李莎茹图形面积。从图4中可以看出，随着峰值电压的增大，放电功率几乎线性地增大，并且峰值电压为11kV 时，放电功率仅为61.21W。

图4 放电功率随峰值电压的变化

■2.2 光学特性诊断

图5 给出了峰值电压为9 kV 时，利用光谱仪测量得到的300-850nm 波长范围内的发射光谱。从该图中可以看出，放电等离子体中存在激发态的Ar、OHO (777.4 nm)等活性粒子。

图5 300-850 nm波长范围内的发射光谱

图6 给出了氮分子转动温度（TRot）和振动温度（TVib）随峰值电压的变化。氮分子的转动温度和振动温度是通过光谱分析软件Specair 拟合368-382 nm 波长范围内的氮分子谱带并与实验测量光谱吻合的最好时就可以确定，如图6(b)的内嵌图所示。从图6中可以看出，氮分子转动温度和振动温度随峰值电压的增大几乎线性地增大，并且它的变化趋势与放电功率随峰值电压的变化趋势完全一致，说明随着峰值电压的增大，电子通过加速运动从外电场获得更多的能量，并与氮分子碰撞把更多的能量转移到了氮分子的转动和振动能级上，从而使温度提高。另外，氮分子的振动温度远大于转动温度，说明此时放电等离子体处于非热平衡状态。当峰值电压从8 kV 增大到11 kV 时，转动温度从335 K 增大到了393 K，而振动温度从2497 K 增大到了2672 K。

图6 氮分子转动温度和振动温度随峰值电压的变化

图7 给出了电子激发温度随峰值电压的变化。电子激发温度是通过选择706.72、714.70、727.29、738.40、750.39、751.47、772.38、794.82、800.62、826.46 nm等10 条中性激发态的Ar 谱线，利用玻尔兹曼斜率法计算得到，如图7的内嵌图所示。从图7 中可以看出，随着峰值电压的增大，电子激发温度几乎线性地增大，这是因为随着峰值电压的增大，高压电极与接地电极间的电场强度增大，电子通过电场加速可以获得更多的能量，所以电子激发温度增大。当峰值电压从8 kV 增大到11 kV 时，电子激发温度从4129 K 增大到了4465 K。

图7 电子激发温度随峰值电压的变化

3 结论

利用预先产生的Ar 等离子体射流在在高压电极周围产生了空气/Ar 介质阻挡放电等离子体，并对其进行了电学特性和光谱特性诊断。实验结果表明，放电电流中出现了大量的丝状电流脉冲，并且最大放电功率为61.21 W。另外，放电等离子体中存在Ar*、OH*、N2*、N2+、O*等多种活性粒子，并且放电功率、N2转动温度和振动温度、电子激发温度随峰值电压的增大几乎线性地增大。