采用实验装置如图1所示。 其中, 等离子体发生器采用课题组自主设计的同轴电极介质阻挡放电(DBD)装置, 其中心电极的材质为紫铜, 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, 绝缘层选用石英玻璃, 其直径为30 mm、 长度200 mm, 放电间隙为3 mm; 南京苏曼公司产CPT-2000K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 , 电压、 电流及放电频率等参数均由Tektronix-TDS1002型数字示波器记录; 氩气(浓度为99.99%)由氩气瓶供给; 采用AvaSpec-ULS2048-4-USB2SZ型光纤光谱仪捕摄光谱信息, 经计算机储存及记录。

图1

Fig.1

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	图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

研究所采用的激励器在大气压下放电的空间尺度远远超出帕邢定律的最佳放电Pd值1 Torr· cm, 因此需要较高的放电电压才能形成宏观的击穿放电现象。 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, 用经标定好的光谱仪在石英观测窗口采集并记录系列Ar等离子体谱线。 实验中, 将放电频率控制在11.4 kHz, 初始放电电压值在5 kV与氩气气隙击穿电压经验公式计算结果相符, 在回路额定电压范围内以间隔为1.0 kV的梯度依次递增放电电压直至13.4 kV。

1.2.1 电子温度诊断方法

等离子体电子温度诊断的方法包括二谱线法、 多谱线斜率法、 Boltzmann法等, 本研究采纳Boltzmann法计算电子温度。 Boltzmann法以最小二乘法的误差拟合为基准对回归模型进行参数估量与辨识, 因其数据点的全面性和广泛性, 可以获取可靠的线性预测从而减少计算误差、 提高模型精度, 是目前等离子体电子温度测量技术中最为遍及的光谱判别方法。

由原子发射光谱原理知, 在局域热平衡模型下关系式见式(1)

lnIλgkAki=-EkkTe+C(1)

式(1)中, I为谱线的相对强度, λ 为光谱对应波长, g_k为谱线的上能级统计权重, A_ki为自发辐射跃迁速率系数(爱因斯坦系数), E_k为上能级能量, k为Boltzmann常数, 且k=8.617 34× 10^-5 eV· K^-1, T_e为等离子体电子温度, C为常数。 式(1)表示ln IλgkAki和E_k呈一元线性关系, 其斜率为- 1kTe, 经计算求得电子温度。

1.2.2 电子密度计算方法

本研究经过Stark展宽规则来诊断Ar等离子体电子密度。 Stark展宽即在激发区域内高速电子与低速离子形成电场, 使线型谱线加宽。 数据处理以Stark展宽机理为依据对ArⅠ 696.54 nm的谱线进行电子密度诊断。 式(2)整理了Stark展宽与电子密度的关系式, 根据已求解电子温度计算出对应的电子密度。

ΔλStark=2×[1+1.75×10-4×Ne1/4α×(1-0.068Ne1/6Te-1/2)]×10-16ωNe(2)

式(2)中: α 为离子碰撞参数, ω 为电子碰撞半宽

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、 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(即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2所示。

图2

Fig.2

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	图2 光谱处理流程图Fig.2 Flow chart of spectral processing

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(3)

式(3)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。 代入几何模型数据及峰值电压, 计算放电气隙距轴心距离为1.0, 1.1, 1.2和1.3 cm四个分析点的电场强度如图3所示。 结果显示外加电压在微放电通道中产生的外电场与电压呈线性增长关系; 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, 而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。

选取放电峰值电压为5.4 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4所示, 图4(a)所示为Ar等离子体的特征谱线分布区间, 图4(b)所示为在特定积分时间内谱线强度的相对数值。 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ArⅠ 696.54为中心波(灵敏线)。 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3

Fig.3

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	图3 放电间隙内电场随外加电压的变化关系Fig.3 The relationship between electric field intensity and applied voltage in discharge gap

图4

Fig.4

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	图4 在电压为5.4 kV下氩等离子体特征发射光谱信息 (a): 5.4 kV氩等离子体特征谱线; (b): 5.4 kV氩离子体谱线强度柱状图Fig.4 Characteristic emission spectrum information of argon plasma under voltage 5.4 kV (a): Characteristic line of argon plasma under 5.4 kV; (b): Intensty histogram of argon plasma under 5.4 kV

以实验所标定的电压为参数绘制特征光谱谱线图如图5所示, 图5能够直观的反映放电电压对谱线分布及强度的影响。 如图5所示, 随着放电电压的增强, 谱线强度先逐渐增强、 随后有所减缓保持稳定; 9组放电电压的谱线分布规律及波长范围趋于一致。 因物质从激发态退激到基态释放出光子的数量体现了谱线的强弱, 在一定范围内随着放电电压的增大Ar等离子体谱线增强, 进一步增大电压介质层被完全击穿放电通道电流减弱, 电子形成的反向场强等均会导致谱线强度的减弱。

图5

Fig.5

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	图5 不同电压下氩等离子体特征光谱Fig.5 Characteristic spectrum of argon plasma under different voltages

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。 依据选择谱线原则, 拟定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, 拟选择的谱线具备整体性、 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)Ar等离子体谱线, 对其拟合得到Boltzmann曲线如图6所示。 Ar等离子体谱线对应的数据点都均匀分布在Boltzmann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6

Fig.6

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	图6 氩等离子体玻尔兹曼拟合直线Fig.6 Argon plasma Boltzmann fitting straight line diagram

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9个档次, 以拟合直线斜率为基础, 经Boltzmann关系式整理最终得到放电峰值电压与电子激励温度二者之间的定量关系如图7所示。 等离子体迸发高速电子与中性原子产生非弹性碰撞, 将试样原子激发到各个能级, 且不同激励能级的粒子布居数代表着等离子体电子能量分布(电子激发温度)。 由图7可知, 当击穿电压位于5.4~9.4 kV之间时, 随着外加电压增长电子激励温度呈上升趋势, 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(即电子激励温度升高); 在外加电压分别为10.4和12.4 kV两个工况下, 电子激励温度呈现谷值, 这表明随着外加电压增大, 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, 随着外加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7

Fig.7

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	图7 在11.4 kHz下电子激励温度与峰值电压关系 2.4 电子密度的诊断Fig.7 Relationship between electron excitation temperature and discharge peak voltage under 11.4 kHz

Ar等离子体谱线的轮廓蕴含着丰富的信息, 其中Stark展宽机理作为重要的信息源为计算电子密度提供依据。 应用Maple工程计算软件经过solve的计算指令最终整合数据得到电子密度与外加电压的对应关系如图8所示。 由图可知, 电子密度与外加电压基本呈准线性关系增长。 这是因为峰值电压增加, 微放电通道场强增大, 气体间隙间电流脉冲(电荷的输运)加快, 高速运动电子与中性粒子或原子发生碰撞形成电子雪崩致使电子数密度增加。 大气压介质阻挡放电在已设定的参数条件下电子密度数较低且保持在10⁸~10⁹ cm^-3量级。 造成这一现象的主要因素为本实验条件下帕邢定律中Pd值过大导致放电困难, 电离度较低约为0.1%, 氩气仅部分电离形成低温等离子体。

图8

Fig.8

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	图8 电子密度随峰值电压变化关系图Fig.8 The electron density variation with applied voltage peak diagram