本研究采用的实验装置如图1所示。 其中, 等离子体发生器采用自主设计的同轴电极介质阻挡放电装置, 接地电极的材质为紫铜, 直径为20 mm、 长度150 mm, 外电极采用铜网形状连接高压接线端, 介质层选用厚度为2 mm的石英玻璃, 其直径为30 mm、 长度200 mm, 放电间隙为3 mm; 采用南京苏曼公司产CPT-2000K微秒脉冲型低温等离子体电源为电极供电, 放电电流电阻采样阻值为50 Ω , 主要用于测量放电时电流的瞬时值, Tektronix-TDS1002型数字示波器被用来采集电压、 电流及放电频率等参数; 氩气(浓度为99.99%)由氩气瓶供给; 采用AvaSpec-ULS2048型光纤光谱仪捕摄光谱信息, 经计算机储存并记录。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

研究所选接地电极具体形状及结构如图2所示, 研究中分别采用螺纹、 齿状、 圆柱三种电极结构。 三组电极的长度为150 mm、 外径为20 mm、 有效放电长度为75 mm, 螺纹电极螺距1.5 mm、 牙深2 mm, 最大放电间隙5 mm; 齿状电极齿的径向与横向排布均为6组, 每一齿高度为2 mm、 长宽均为5 mm、 齿间距为5 mm, 最大放电气隙5 mm; 圆柱电极为标准对比电极, 放电气隙尺度均匀且为定值3 mm。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 接地电极结构图Fig.2 The grounding electrode structure (a): Threaded electrode; (b): Toothed electrode; (c): Cylindrical electrode

实验前, 使用汞灯对光谱仪的波长分辨率和波长精度进行标定, 并使用钨灯对光谱仪的光谱相对响应进行标定, 用经标定的光谱仪在石英观测窗口捕捉并存储系列Ar等离子体谱线。 由于介质阻挡放电等离子体光谱的复杂性, 无关电路系统产生的电场、 磁场和气流波动常常会引起光谱的变动, 因此必须对所得光谱信息进行数据汇总、 分析及平滑处理。 Ar等离子体光谱处理流程为: 数据预处理(尽可能消除光谱噪声振动、 挑选波长与谱区范围及光谱数据平滑等)→ 前处理(对谱线的一些重要参量进行解析)→ 数据计算(采用EES软件进行快速辅助计算)。 光谱处理流程图如图3所示。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 光谱处理流程图Fig.3 Flowchart of spectral processing

保持放电频率在11.4 kHz, 实验初始电离的电压值为5 kV与气隙电离电压经验公式计算结果相一致。

在同轴放电过程中忽略边缘影响, 外加电压在气隙空间的电场强度表达式为

Eg=Ur×lnR2R1+ξgξdlnR3R2-1(1)

式中, ξ _g为Ar介电常数, ξ _d为石英玻璃介电常数, R₁, R₂, R₃分别为内电极半径、 石英层内外半径, r为放电间隙与同轴电极轴心之间的距离。 以最小放电气隙3 mm为标准, 计算放电气隙距轴心距离为0.9, 1.0, 1.1, 1.2和1.3 cm的五个径向点的电场强度如图4所示。 其中图4(a)为圆柱结构的电场强度, 图4(b)为螺纹及齿轮结构的近似电场强度。 结果显示, 外施电压在微放电通道中产生的外电场与电压成线性增长关系, 随着放电间隙距轴心距离的增大, 外电场强度减小且增长趋势变缓; 外施电源提供给螺纹及齿轮结构的电场强度低于圆柱结构的场强。 这种电场强弱分布直接影响着电子、 离子及自由基的分布与运动路径。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 放电气隙内电场随外施电压的变化关系 (a): 圆柱结构; (b): 螺纹及齿轮结构Fig.4 Relationship between electric field in the discharge air gap and the external applied voltage (a): Cylindrical electrode; (b): Threaded and toothed electrode

选取放电峰值电压为11.4 kV、 放电频率为11.4 kHz条件下的Ar等离子体的特征光谱信息如图5所示, 图5(a), (b)和(c)分别为螺纹结构、 齿状结构、 圆柱结构接地电极形成的Ar等离子体特征谱线。 如图所示, Ar等离子体谱线的波长范围在680~800 nm之间, 当波长在696.54 nm时谱线强度值最大, 此时称Ar Ⅰ 696.54为中心波(灵敏线); 齿状电极放电所释放的谱线强度最强, 圆柱状电极形成光谱的强度最弱, 这是由于氩气流经齿状电极时在凹陷处形成一个压力降低区, 齿状电极和螺纹电极放电类似于柱网放电, 从而使得电离效果更佳。 依据光谱谱线的波长确定Ar等离子体中对应激发态的能级分布(2P₁, 2P₂, 2P₃, 2P₅, 2P₆, 2P₇); 依据谱线的特定波长和波峰相对强度来计算电子温度。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 在电压为11.4 kV下氩等离子体特征发射光谱信息 (a): 螺纹结构; (b): 齿状结构; (c): 圆柱结构Fig.5 Characteristic emission spectrum information of argon plasma under the voltage of 11.4 kV (a): Threaded electrode; (b): Toothed electrode; (c): Cylindrical electrode

以实验所采选的电极为参量绘制Ar Ⅰ 696.54中心波随外施电压变化的特征谱线图如图6所示。 图示可知三组电极放电谱线中心波随电压变化呈现先增长、 后逐渐变缓的趋势。 这表明随着外施电压增大到一定值后, 微放电通道内高速电子向高压电极移动并附着在介质层上形成反向内部场强。 此时内部反向场强减弱、 并抵消外部场强, 电子碰撞频率得到减缓、 使得激发态氩原子退激, 所释放的光子数量趋于稳定; 齿状电极放电中心波强度值最大, 圆柱电极放电谱线的中心波强度值最小。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 中心波随外施电压变化的特征谱线图Fig.6 Characteristic spectral lines of central wave changed with external applied voltage

综合上述处理方法以及实验数据的分析, 采用Boltzmann法分析并计算Ar等离子体的电子激励温度。 为降低实验误差, 选取的谱线能级差要求尽可能大。 依据谱线选取原则, 选取最大与最小能级的谱线13.48和13.15 eV各一条, 挑选中心能级的两条谱线分别为13.17和13.3 eV共四条谱线, 所选谱线具备整体性、 可靠的拟合性、 低误差等特征。 所选谱线具体特性参数为706.72 nm(2p₃→ 1s₅), 750.38 nm(2p₁→ 1s₂), 763.51 nm(2p₆→ 1s₅), 772.37 nm(2p₇→ 1s₅)。 选择圆柱状电极放电特征参数为例对其拟合获得Boltzmann图如图7所示。 图示Ar等离子体谱线对应的数据点都均匀分布在Boltzmann关系线的两侧, 一元线性拟合程度较高; 随着电压的升高, 拟合直线趋于向上偏移趋势。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 氩等离子体玻尔兹曼拟合直线图Fig.7 Boltzmann linear fitting of argon plasma

大气压下放电频率为11.4 kHz, 放电峰值电压由5.4 kV增长到13.4 kV(间隔1 kV), 共九个档次。 选取圆柱状、 齿状、 螺纹状接地电极进行电离实验, 以拟合直线斜率为基础, 经Boltzmann计算关系式整理最终得到放电峰值电压、 电极形状与电子激励温度三者之间的走势关系如图8所示。 由图可知, 当电离电压位于5.4~9.4 kV之间时, 随着外源电压的增加电子激励温度呈增长趋向。 大气压介质阻挡放电中, 一定区间内随着峰值电压的增大放电功率增加、 且放电做功主要耦合给电子, 因此电子平均能量增加(即电子激励温度增大); 在外施电压为10.4和12.4 kV两个工况下, 电子激励温度出现谷值, 这表明随着外施电压增大, 微放电通道内高速电子向高压电极移动并附着在介质层上形成反向内部场强, 此时内部反向场强减弱、 并抵消外部场强, 致使电子平均能量损耗, 电子激励温度降低。 综上所述, 对常用放电频率下的介质阻挡放电, 随着外施电压的增大电子激励温度不总是呈现增长趋势, 这一结果与等离子体电子温度仅依赖于放电气压、 几何模型尺度以及电离气体等因素、 而与放电功率及外加电压无直接关系的结论相吻合。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 放电峰值电压、 电极形状与电子 激励温度三者之间的走势关系Fig.8 The relationship between peak voltage, electrode shape and electron excitation temperature

如图8所示, 圆柱电极放电的电子激励温度整体呈现较高态势, 齿状电极放电次之, 螺纹电极电子激励温度呈现最低态。 三组电极电离效果随着外施电压升高其走势趋于一致。 这是由于三组电极最小放电气隙均为3 mm, 圆柱状电极整体呈现3 mm的最小电离间隙, 等离子体迸发高速电子与中性原子产生较强的非弹性碰撞, 此时电子平均能量相对其他电极而言显现为最大值, 因此圆柱电极电子激励温度最高; 齿状电极与螺纹电极最大电离气隙均为5 mm, 之所以齿状电极电子激励温度偏高是由于氩气流经电离间隙时在齿状电极的凹口处产生一个瞬时的气压降低区, 这一特性改变了等离子体的电离特征尺度, 根据帕邢定律可知低气压条件下放电, 电离效果显著且电子激励温度增大。