大气压氮等离子体介质阻挡放电的发射光谱研究

迟钧文

（沈阳理工大学自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159）

1 引言

介质阻挡放电的方式能够在大气压下产生大面积、高能量的低温等离子体，其原理是在金属放电电极之间放入绝缘介质，用于阻挡电极之间的放电通道，产生阻挡式的放电方式。近几年来，介质阻挡放电产生的低温等离子体应用广泛，具有十分广阔的应用前景。发射光谱法是一种用于检测物质元素成分的分析方法。发射光谱法与其他的分析技术相比优势明显，其成本低、操作简单、反应速度快、能够测量多种元素，具有极高的准确度。

其中，西安科技大学申丽华、于春侠等人采用直流放电的形式，其放电电极以碳纳米管为正极，铝片为负极，在低电压情况下，对氮气进行气体放电，产生氮气等离子体，并利用发射光谱法对放电产生的粒子进行了诊断研究。大连理工大学肖重发、徐勇等人则是建立了一套交流高压放电产生氮气等离子体装置，在地电极上覆上石英作为介质阻挡，放电产生的等离子体同样利用发射光谱法对介质阻挡放电产生的等离子体的组成成分进行诊断。

本实验旨在搭建介质阻挡放电等离子体发生装置模型，以氮气为研究对象，在大气压、高频交流电压的条件下产生等离子体，形成等离子体射流，并用光谱仪捕获其发射光谱，分析物质成分以及变化规律。

2 氮等离子体发生系统

本实验等离子体发生系统由4个部分组成，即高电压发生装置、针-环电极放电喷头、配气系统以及测量系统。

高电压发生装置中主要芯片选择IR2104，IR2104是半桥驱动芯片，用信号发生器对其输入一个频率可调且占空比为50 %的方波。芯片正常工作时，输出两路相位相反，电压、频率和占空比相同的方波。这两路方波驱动半桥电路。最终得到幅值可调的方波，进而驱动变压器。经测试，变压器的谐振频率为128 kHz，故驱动电路输入频率与变压器谐振频率相同时获得的增益最大。

其次对针-环电极放电喷头进行设计，放电喷头利用介质阻挡放电原理产生等离子体。放电喷头主体选用玻璃管作为介质阻挡层，长度50 mm，外径5 mm，厚度1 mm。正极材料选择钨棒，直径0.8 mm。负极选用铜箔，宽度2 mm。

配气系统为整个等离子体发生器装置提供气体流速可调的氮气，氮气纯度高达99.99%。氮气罐上装有压力阀，通过导管连接到转子流量计上，再通过导管连接到放电喷头上。

测量系统包括电压测量环节和光谱检测环节，用Tektronix公司DPO 2002B数字示波器，检测高电压发生装置的工作电压。用Avantes光谱仪捕获等离子体射流的发射光谱。

3 实验研究

3.1 操作步骤

连接好高电压发生装置、针-环电极放电喷头以及配气系统，搭建起实验操作平台。将示波器的高压探头接于高压电极和地电极，用于检测高压信号。将光纤探头固定在实验平台滑块上，且正面水平对准玻璃管，即光纤探头圆心与玻璃管圆心在同一直线上，缓慢拉伸两者之间的距离达到10 mm。开启电源后，缓慢调节电压使之稍微高于氮气激发电压，对放电喷头进行“预热”处理半分钟左右，使实验结果更稳定。

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3.2 实验结果

3.2.1 实验现象

当电压峰峰值达到6 kV左右时，金属电极钨棒尖端产生微弱的等离子体，发出淡淡的光芒，同时伴有轻微“嘶嘶”声响，在电极尖端产生微弱的等离子体，如图1中（a）所示。继续加大电压，电极尖端发光情况肉眼观察几乎无变化。

当电压峰峰值达到7.5 kV附近时，钨棒电极尖端向地电极垂直方向产生1根放电细丝，如图1中（b）所示。

随着电压不断增加，电场强度随之不断增大，直到电压加到9 kV时，可明显看到放电突然变得猛烈，从1根放电细丝变成多根细丝相互影响，等离子体喷出玻璃管，有弥漫的淡紫色光亮产生，等离子体边缘有淡淡的黄色光芒，同时伴有强烈的“嘶嘶”声响和臭氧味道，如图1中（c）所示。

图1 氮等离子体介质阻挡放电情况

3.2.2 氮等离子体的发射光谱研究

实验发现，当电压峰峰值在6～7 kV时，只测得N2（C3Пu-B3Пg）的谱带即N2的第二正带，其中较为明显的波长为337.1 nm、357.7 nm和380.5 nm。其光谱图如图2所示。电压在其范围内增加，所捕获等离子体的辐照度几乎无变化。在放电等离子体环境中，其内部发生的反应式如下：

其中反应（1）需要11 eV的激发能，带有较高能量的电子碰撞基态氮分子N2（X），使得激发到较高能态的氮分子N2（C）。随后，较高能态的氮分子N2（C）进行反应（2），自发跃迁回低能级状态，产生光子，向外发出辐射。

当电压达到7.5 kV时，新增加几条谱线，315.7 nm、353.7 nm、375.6 nm、339.8 nm和405.9 nm，都是N2（C3Пu-B3Пg）带上的谱线。对于丝状介质阻挡放电，且放电细丝只有一条的情况下，尽管增加电压，辐照度变化也不明显。

当电压达到9kV时，电极尖端的电场强度持续增加，更多的氮气分子被激发。激发氮气产生的各种光电子，进一步使得微放电增强。分析发现，N2（C3Пu-B3Пg）带系的谱线数目明显增多。在此放电过程中产生带系的一条谱线，波长为391.4 nm。新增的谱带系以及NO-γ（A2Σ-X2П）的谱带系。放电电场能量达到相对较高的电子伏特，导致粒子相互碰撞、转化得更加活跃，产生更多种类的粒子。

其中N2的第二正带（C3Пu-B3Пg）的反应与上文相同，见反应式（1）和（2）。

本实验产生的N2的第一正带谱带系在550～780 nm，其反应式如下：

其中M是N2或者O2中的一种。由发射光谱图2（b）所示。

图2 氮气放电的发射光谱

NO-γ（A2Σ-X2П）的谱带系的反应式如下：

在放电过程中，NO分子的状态变化与高能电子的能量密切相关。当电子的能量大于5.5 eV时，便可以通过非弹性碰撞激发NO基态分子到A2Σ态。当被激发的NO（A2Σ）分子回到基态时，在光谱仪可检测的220～290 nm范围内形成发射光谱。

3.2.3 氮等离子体谱线辐照度随放电电压的变化

实验放电频率为128 kHz，针-环电极放电喷头的高压电极和地电极相距2 mm，气体流速控制在5 L/min。N2的第二正带选取波长337.1 nm谱线作为衡量整个带系特点的标准。图3为在大气压氮等离子体介质阻挡放电中，337.1 nm谱线的辐照度随放电电压峰峰值的变化曲线。

图3 337.1 nm谱线的辐照度随放电电压峰峰值的变化曲线

不难发现，337.1 nm谱线的辐照度在电压峰峰值6～7 kV时变化幅度较小，此时等离子体刚在电极正极产生，当电压达到7.5 kV时，正极尖端产生1根放电细丝，辐照度稍有增加，电压一直增加到8.5 kV，放电细丝光亮些许增强，故辐照度变化不是很明显。当电压达到9 kV时，等离子体放电强烈，辐照度激增，在这种放电模式下，辐照度随着电压的增大而线性增大。

N+2的第一负带系只捕捉到波长为391.4 nm谱线。图4为在大气压氮等离子体介质阻挡放电中，其辐照度随放电电压峰峰值的变化曲线。

图4 391.4 nm谱线的辐照度随放电电压峰-峰值的变化曲线

电压峰峰值在9 kV以下时，因为电场能量过低，并未激发出该谱带系的粒子，图中微小波动为光谱仪捕获光子时不可避免的干扰。当电压达到9 kV时，产生的N+离子随电压变化趋势增大而线性增大，且趋势变化与337.1 nm谱线大致相同。

4 结语

在大气压下，该放电模型以5 L/min的流速通入氮气，电极两端施加频率为128 kHz的正弦电压，其氮等离子体的激发电压峰峰值为6 kV，捕获到N2的第二正带（C3Пu-B3Пg）的发射光谱。当电极两端施加峰峰值为9 kV交流电压时，产生等离子体射流，337.1 nm谱线和391.4 nm谱线的辐照度随着电压的继续增大而线性增大，且变化趋势大致相同。同时发现，在不同的放电状态下，所激发出的氮粒子种类不同。