氩气等离子体射流光谱空间分布分析

杨晨

(沈阳理工大学自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159)

1 引言

近年来，氩气等离子体射流光谱引起了国内外研究者的极大兴趣。等离子体放电诊断的光学发射光谱(OES)技术被人们在各个领域中广泛使用。研究者们探究了影响等离子体光谱变化的许多特征参量，姜昱研究了不同气压下氩射流等离子体发射光谱对比，董丽芳等人采集了等离子体从弧根到弧梢不同位置时OH自由基谱带和O原子谱线，Kindel等人对等离子体射流进行了不同轴向位置光谱测量，但并未对粒子进行详细阐述。本文针对不同轴向位置等离子体截面的光谱进行了详细实验研究，进行OES测量并分析粒子种类，低温等离子体射流不同轴向位置的活性粒子种类、能量以及密度存在差异，通过实验找出其空间分布，将有利于针对不同的应用场景，改变待处理试件的空间位置，以实现最优的性能指标。

2 实验方法及测量装置

本实验采用成都普璐生医疗科技有限公司提供的PLS-800设备以及氩等离子体射流喷枪。工作气体是体积分数为 99.999%的氩气，由高压氩气气罐输出，输出气体流量为8L/min，通过气体流量计调节氩气流量，气体压强为0.26Mpa，在大气环境中产生了稳定的氩等离子体射流。采用爱万提斯ULS2048-USB2光谱仪实现对低温等离子体光谱的采集，记录波长在300～1000nm的粒子，同时使用Avasoft软件观察光谱变化，多次进行实验并保存。

实验方法：取枪口为射流长度计算的起始点，首先踩稳脚踏开关给设备1min电压信号，使等离子体射流发射稳定，接着移动直线导轨滑块将铁板从射流枪喷口处缓缓向外拉动，测得等离子体射流距离铁板的最大距离是15mm，如图1所示；接着使光谱仪光纤探头轴心与等离子体射流轴心保持在同一水平面上，光纤探头垂直于等离子体射流距离为5mm；最后沿等离子体射流方向改变光纤探头到枪口距离分别为2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm。

图1 等离子体射流的最大距离

3 等离子体放电过程的光谱学分析

3.1 射流粒子分析

光谱仪采集记录到在690～1000nm的22条氩原子谱线，在300～500nm的15条氮分子谱线，在306～318nm的1条羟基自由基谱线，在750～850nm的2条氧原子谱线。实验观察得到，在射流与试件接触处等离子体光谱谱线数量最多。通过分析光谱数据可知，氩原子、氮分子、羟基自由基、氧原子的活性粒子种类分别如表1、表2、表3、表4所示。由于本实验工作气体为氩气，所以Ar原子(Ar I)谱线较强，电子能量主要来自4p→4s跃迁引起的4p能级的减少，其中763.51 nm的谱线辐照度变化最大，某些Ar原子谱线彼此非常接近，选取上能级激发能和谱线辐照度较好的谱线，如763.51nm和772.42nm，800.62nm和801.48nm等，可计算等离子体参数。高能电子与Ar原子碰撞使得基态Ar原子得到能量跃迁到激发态或更高能级的激发态，激发态或更高能级激发态的Ar原子跃迁返回到共振能级1s2和1s4(用Paschen符号表示)或亚稳态能级1s3和1s5，反应如下式表示。

表1 Ar原子(4p-4s)发射谱线的光谱数据

表2 N2分子(C3Πu-B3Πg)发射谱线的光谱数据

表3 OH自由基(A2Σ+-X2Π)发射谱线的光谱数据

表4 O原子(3p-3s)发射谱线的光谱数据

从N2(C3Пu)向N2(B3Пg)跃迁产生的发射光谱最清晰可见，N2分子在可见光波段的发射光谱主要由第二正带系(C3Пu→B3Пg,v’=0,Δv=v’-v’’=0主 带 头 在337.1nm处)和(C3Пu→B3Пg,v’=0,Δv=v’-v’’=-1主带头在357.7nm处)组成，N2分子的C3Пu→B3Пg的跃迁谱线是光谱主要形成原因。空气中的N2分子主要是由以下反应发光。

式(3)是高能电子e*与基态N2分子相互碰撞产生的激发过程，式(4)是激发态Ar原子和N2分子产生的反应过程，式(5)是激发态N2分子的第二正带系跃迁发光过程。

OH自由基的发射光谱位于306～318nm光谱区，本实验的OH自由基光谱主要集中在308nm附近，对应A2Σ+(v’=0)→X2П(v’’=0)跃迁，OH自由基的半波峰脉宽为2.89nm，且OH自由基有着强氧化活性。在氩气等离子体中，第一激发态的OH(A2Σ+)是由等离子体中的高能电子e*和激发态的氩原子Ar*分别与空气中的水分子发生碰撞所产生的，并且激发态OH自由基会跃迁到基态，反应如下。

O原子(O I)具有强氧化性，在等离子体医疗领域中可用来杀菌消毒，两个O原子光谱来自3p态跃迁到3s态，实验中测得的两条O原子谱线的光谱发射都比较微弱，在氩气等离子体气体放电中电子或者基态Ar原子与O2分子发生碰撞，生成具有较高活性的O原子谱项O(3p5P)和O(3p3P)，单线态O原子主要由以下反应产生。

3.2 不同位置射流光谱特性

等离子体光谱与射流位置有着密切的联系，为了更清晰了解各谱线变化趋势，绘制如图2，可明显看出随着距离不断增加，氩气等离子体射流光谱有很大变化。

图2 不同位置时的发射光谱

根据美国国家标准与技术研究院NIST网站分析粒子种类，由于波长相距较近且易算出电子激发温度，激发态Ar原子的主要光谱波长为750.39nm、751.47nm、763.51nm、772.42nm、800.62nm、801.48nm、810.37nm、811.53nm、840.82nm、842.47nm。Ar原子在2.5～5mm单调递增，在距离为5mm处辐照度基本达最大值，之后随着距离增加虽略有下降和上升趋势，但辐照度梯度基本趋于稳定，实验中未发现Ar离子。1.40μW/cm2。利用光谱学方法对单线态O原子谱线辐照度的空间分布进行了研究，发现O原子(777.5nm)在距离为5mm处辐照度远大于其他位置，而O原子(844.6nm)在射流尖端辐照度较强。

4 结语

本文利用OES证实了氩气等离子体射流中主要存在Ar原子、N2分子，OH自由基和O原子。由于观察到了OH自由基谱带和O原子谱线，表明放电产生了活性含氧物种，对研究等效总氧化电位起着至关重要的作用。另外，实验分析了各粒子所对应的波长和粒子跃迁反应，在距离分别为2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm时主要粒子的辐照度变化情况，得出粒子的变化趋势，试验结果表明在距离射流尖端处15mm产生的活性粒子较多。

N2分子的主要波长为315.9nm、337.1nm、357.7nm、380.5nm、405.9nm、434.4nm，是 由 于 这6条 波 长 是N2(C3Пu→B3Пg) 第二正带谱带的带头。等离子体射流产生的全是激发态N2分子，无N2离子波长，在射流枪喷嘴处，N2分子波长辐照度较小，在距离为2.5～12.5mm时辐照度梯度略有上升趋势，在0～3μW/cm2上下稳定浮动，在15mm处有较明显的跳变上升趋势，即可得出结论，在氩气等离子体射流喷口处，N2分子谱线较弱，而在射流尖端处N2分子谱线较强。

波长308nm周围OH自由基谱带在射流喷口处辐照度很活跃，在距离为2.5mm处辐照度可达到最大值为47.82μW/cm2，通过实验可看出随着距离增加，OH自由基辐照度总体呈现下降趋势，通过对OH自由基谱带辐照度的空间分布测量，可推断出等离子体从弧根到弧梢位置，OH自由基的辐照度会逐渐下降。

O原子的主要波长为777.5nm和844.6nm。当波长为777.5nm在5mm处达到O原子辐照度最大值为2.72μW/cm2；当波长为844.6nm，在15mm时上升到最大值为