大气压空气弥散等离子体产生及发射光谱分析

张大伟，徐萌

（沈阳理工大学自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159）

近年来，低温等离子体因其独特的高效、环保、低能耗等技术优势，被广泛应用于新材料、新能源、环保和生物医学等领域。但是能量比较集中的丝状等离子体难以用于均匀化的生产领域，探究如何产生不含放电细丝的弥散等离子体引起众多学者关注。

其中， 李静使用针- 环电极介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD) 系统，将氩气作为工作气体，使用8.9kHz 的交流电源，在大气压环境中产生了均匀弥散的等离子体射流；Yang 等人将纳秒脉冲电源作为激励源，采用针- 板电极结构进行放电实验，在空气环境中实现了阵列形式的弥散等离子体，能够更好的适用于大面积材料处理。Shao 等人使用重复纳秒脉冲电源在无介质层的棒- 板电极结构下，选取不同的放电间隙进行弥散放电发展形式的研究，发现随着间隙的缩小，放电逐渐从间隙4.5cm 时的电晕放电向间隙3.5cm 的弥散放电发展，最终在2.5cm 处形成了电弧与弥散等离子体共存的放电状态。但是使用惰性气体存在复杂的气路装置，同时纳秒脉冲电源价格昂贵，不能满足广大研究者的研究需求，因此高频化、小型化的交流电源用于驱动空气产生弥散等离子体展现出广阔的应用前景。其中，李冠一等人使用8kHz 的交流电源在峰峰值36kV 的电压下，使用壁厚1mm 的石英玻璃管和ITO玻璃作为阻挡介质，分别在玻璃管口内径2、4、8mm 的情况下实现了大气压空气中的弥散等离子体，并且增加电压至40kV，得到了无气流作用的空气单针射流。但目前仍未见有关30kHz 以上的高频电源驱动空气产生弥散等离子体的报道，且对于空气等离子体光谱的报道也不常见。

基于此，本文在大气压空气中建立高频电源驱动的针-板电极DBD 平台进行实验，观察放电空间中的等离子体产生情况，进一步分析空气等离子体发射光谱，对空气等离子体的实际应用具有一定的参考价值。

1 空气放电实验平台的建立

本文在大气压空气环境中进行放电实验研究，建立了针- 板电极DBD 实验平台。实验平台装置如图1所示，主要包括电源装置、等离子体发生器装置、测量装置等。

图1 实验平台装置图

供电采用实验室自制正弦交流高压电源，输出电压峰峰值在0～25kV 之间连续可调，电源工作频率为35kHz。等离子体发生器采用间距可调的针-板电极DBD 装置，由铜针、铜板、石英玻璃管和陶瓷片组成，针电极直径1mm，一端被打磨；板电极直径38mm，厚度2.4mm；石英玻璃管外径10mm，厚度1.5mm；陶瓷片的尺寸为100*50*1.5mm；针电极被固定在石英玻璃管中心位置，距离石英玻璃管口4mm，陶瓷片覆盖在铜板电极上。电源输出电压使用采样比例为1000:1 的Tektronix P6015A高压探头测量；电流使用采样比例10:1 的Tektronix TPP0100 探头测量，探头采集信号输入Tektronix DPO 2002B 数字示波器进行显示。电流信号是测量串接在电路中的无感采样电阻两端电压得到的。等离子体发射光谱使用Avantes 光谱仪采集，并用计算机记录、分析。

2 空气弥散等离子体产生实验

2.1 实验现象

当施加电压峰值超过6.7kV 时，针尖附近出现发光强度较低的淡紫色光晕，如图2 中（a）所示，增加电压放电依旧保持电晕状态，但电晕发光层有所增加。当电压达到9.3kV 时，针尖和玻璃管之间出现通道形式的等离子体，陶瓷片上出现一个半径约6mm 的淡紫色光斑，如图2 中（b）所示。继续增大电压至11kV 时，放电产生的等离子体在整个放电空间的亮度更高，在陶瓷片上形成了半径约8mm 的光斑，如图2 中（c）所示。

图2 间距10mm 时放电发展过程

2.2 电学特性

在产生弥散等离子体后，保存此时的外施电压和回路电流波形，并选取部分周期进行展示，结果如图3 所示。

图3 外加电压与回路电流波形

由图3 可知，电流只在每个正半周期固定出现1 次，电流幅值为mA 级别，电流峰值出现在电压峰值前，负半周无明显电流脉冲出现。这是因为采用的针-板电极结构极不对称造成的，与Sun 和郝等人的实验现象一致。

图4是将图3 中电流脉冲展开后的结果，电流脉冲的宽度为300ns。

图4 电流脉冲展开图

3 空气光谱粒子种类分析

为减少环境光线对光谱测量带来的误差影响，在黑暗环境下进行发射光谱采集，综合光谱仪有效测量范围，本实验采集200～1000nm 范围内的波长，如图5 所示。其中，波长280～470nm 之间主要包括氮分子第二正带系、氮分子离子第一负带系；波长在750～800nm 之间有1 条O原子谱线，分别如图6、图7 所示。

图5 实验捕获光谱图

图6 第二正带和第一负带光谱图

图7 氧原子谱线

将280～470nm 范围内的主要波长进行标定，如图6 所示，发现第二正带系下有6 个辐照度明显的谱带，其主带头波长分别是297.7nm、315.7nm、337.1nm、357.7nm、380.5nm、405.9nm；第一负带系有1 条谱线，波长为391.4nm。

经过分析发现，种类最多、辐照度最强的谱线均属于N2(C3Пu-B3Пg)即氮分子第二正带系，这是因为空气中的氮气含量最大，电子最先与基态氮分子碰撞，从而使获得能量激发到较高能态的氮分子N2（C3Пu），然后N2（C3Пu）自发跃迁回低能级的氮分子N2（B3Пg）时通过辐射光子hv 释放能量。其中产生较高能态的氮分子N2（C3Пu）需要大约11eV 的能量，反应过程如下。

除了氮气的谱带外，还捕获到了777.5nm 的O 原子谱线，如图6 所示。主要通过电子和O2分子发生碰撞产生。

因为空气中的氮气含量远大于氧气，所以电子与氮气分子的碰撞更多，表现为氮的谱线辐照度较大；此外，由于产生所需的能量比N2(C3Пu) 大，所以氮分子离子第一负带系的谱线强度以及数量明显少于氮分子第二正带，这与实际测试光谱的结果一致。

4 结语

本文使用针-板电极介质阻挡放电装置在气隙10mm的情况下产生了较为均匀的弥散等离子体并进行了空气等离子体光谱分析，得到如下结论：

（1）弥散等离子体产生主要分为3 个阶段，首先是电压峰值在6.7～9.3kV 之间的电晕放电阶段，放电形式稳定且维持在电晕状态，随着电压增加，发光强度有所增加；当电压达到9.3kV 后，放电发展为通道形式的等离子体；当施加电压达到11kV 后，放电产生的弥散等离子体充满放电间隙。

（2）空气等离子体光谱主要由6 条氮分子第二正带系N2（C3Пu-B3Пg）谱带、1 条氮分子离子第一负带系谱线和1 条O 原子谱线组成。其中和主要是电子与基态氮分子碰撞产生，O 原子通过电子与O2分子碰撞产生。因为空气中氮气含量较多且产生N2(C3Пu) 所需能量比产生的低，所以氮分子第二正带的谱线数量明显多于其他种类。