討論針一板介質(zhì)阻擋放電中電子能量空間分布

【摘要】本文測量了在大氣壓環(huán)境下的氬氣空心的針一板的放電等離子體當(dāng)中原子和分子譜線空間強(qiáng)度的分布，對等離子體當(dāng)中的電子能量空間分布進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)采用空心的針一板裝置進(jìn)行放電，得到了放電等離子體弧，大約長3cm。在350～750帆的范圍之內(nèi)進(jìn)行發(fā)射光譜的采集，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度比較高的Nz第二正帶系的譜線、ArI譜線及強(qiáng)度比較弱的0I譜線。在實(shí)驗(yàn)中測量了N2譜線、氬原子譜線及OI775.3m譜線的強(qiáng)度的空間上的分布，其結(jié)果表明：氨分子的譜線強(qiáng)度是由弧根開始逐步升高。在距離弧根有約12mm之時強(qiáng)度達(dá)到了最大值并且開始有下降趨勢；氬原子的譜線強(qiáng)度是由弧根直到弧梢開始逐漸降低；而氧原子的譜線強(qiáng)度是從弧根逐步升高，在離弧根有6mm時強(qiáng)度能夠達(dá)到最大值且開始下降。進(jìn)行定性地討論等離子體弧當(dāng)中電子的能量分布，發(fā)現(xiàn)了再距離弧根6mm之處電子的能量最高，在弧根處的電子能量為最低。

【關(guān)鍵詞】針一板介質(zhì)；放電；電子能量空間分布

近幾年來，針板放電因?yàn)槠湓诓牧系臏缇?、表面改性、臭氧合成以及污染控制等相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景而引起人們十分大的興趣。在材料表面的改性當(dāng)中，在針板放電而產(chǎn)生的等離子體在接觸材料表面之時，材料表面化學(xué)鍵由于較高能量電子而發(fā)生斷裂之后，再和等離子體當(dāng)中其他的粒子形成了化合物，進(jìn)而使得材料的表面性質(zhì)發(fā)生了改變。由此能夠看出，在開展材料表面的處理之時等離子體當(dāng)中電子能量的大小是一個十分關(guān)鍵的因素：若電子能量過大則極易損傷材料，過小則不能夠達(dá)到對材料表面進(jìn)行改性的目的。所以弄清等離子體弧當(dāng)中電子能量的分布規(guī)律，對于其實(shí)際應(yīng)用有很重要的意義。然而據(jù)我們所知，對等離子體弧當(dāng)中電子能量分布的研究還很少見。本工作采用空心的針一板裝置進(jìn)行放電，產(chǎn)生大氣壓等離子體弧，對其上各點(diǎn)的N2第二正帶系譜線、Ar I譜線與O I譜線相對強(qiáng)度進(jìn)行測量，得到譜線強(qiáng)度空間分布，對等離子體當(dāng)中電子的能量分布進(jìn)行了分析。

1.實(shí)驗(yàn)裝置

空心的不銹鋼針內(nèi)、外徑分別是1與1.3mm，通過45歐電阻進(jìn)行接地。在工作時氬氣要在質(zhì)量流量的控制器的控制下并導(dǎo)入空心針。直徑為8cm圓柱形的銅塊作另一電極，周圍利用絕緣塑料進(jìn)行包裹，通過一個接線柱接入交流電源高壓端，上端采用厚度是1.5mm的玻璃板進(jìn)行覆蓋?？招尼樐┒说讲ＡО宓木嚯x為4.5cm。交流電源的頻率為40kHz，其峰值電壓在o～12 kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。高壓探頭（Tektr0Ilix P6015A，1000Xd）用來測量電壓.由數(shù)字示波器（Agiknt.Ds06054A，500MHz）記錄并儲存。放電等離子體發(fā)出的光，經(jīng)焦距為10 cm的透鏡會聚后由光纖導(dǎo)入光譜儀（型號：ACTON SP-2785，1340×400 pixels），通過計(jì)算機(jī)控制采集并存儲。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)時要向空心針當(dāng)中通入氬氣并且將氣體流速控制到8.5mL·min-1，在外加的正弦交流電的壓峰值是7.5kV之時，針板間形成了大約3cm長的一個等離子體弧，如圖2所示。

首先進(jìn)行了350～750nm范圍之內(nèi)等離子體弧發(fā)射光譜，如圖3所示。在發(fā)射譜當(dāng)中除很強(qiáng)的比較強(qiáng)的氮分子的第二正帶系譜線和氬原子譜線之外，還出現(xiàn)了比較弱的O I775.3m譜線與OH譜帶。

接著進(jìn)行了第二正帶系、 ArI譜線及oI譜線在沿著等離子體弧空間分布，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：ArI譜線強(qiáng)度是由弧根直到弧梢逐步減?。籒2第二正帶系的譜線是由弧根開始逐步增強(qiáng)，在距孤根12mm時達(dá)到了最大值之后開始有所下降；oI譜線強(qiáng)度是由弧根開始逐步升高，在距離弧根6mm時其強(qiáng)度達(dá)到了最大值之后開始逐步下降。

氬原子和氮分子的譜線的產(chǎn)生是因高能電子和基態(tài)氬原子與氮分子風(fēng)聲碰撞，使得它們基態(tài)獲得了能量能夠躍遷到激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)或是亞穩(wěn)態(tài)，與此同時釋放出大量光能。

原子或是分子的譜線強(qiáng)度和上能級的粒子數(shù)成正比，但上能級的粒子數(shù)和碰撞截面能夠成正比，碰撞截面和電子能量有關(guān)，這是眾所周知的。在電子能量分別是13～15eV與17～18 eV之時，氬原子與氮分子發(fā)生碰撞激發(fā)的截面最大.在此時對應(yīng)氬原子與氯分子的上能級的粒子數(shù)是最多的，且譜線強(qiáng)度最大。從相關(guān)文獻(xiàn)能夠了解到在電子能量是17～18eV之時氧原子發(fā)生碰撞激發(fā)的截面最大，在此時對應(yīng)氧原子的上能級的粒子數(shù)為最多，因?yàn)榻怆x氧分子需要電子能量是8.4eV，因此在電子總能量是25～26eV之時氧原子的譜線強(qiáng)度達(dá)到最大。依據(jù)以上數(shù)據(jù)的分析能夠得到對氬原子進(jìn)行激發(fā)所需要的電子能量是最小的。對激發(fā)氮分子所需要的電子能量比較大，進(jìn)行氧分子解離并且激發(fā)氧原子所需要的電子能量是最大的。從圖4（a）能夠看出氬原子的譜線強(qiáng)度是由弧根直到弧梢逐步減弱，說明了在13～15eV的范圍內(nèi)能量的電子數(shù)目減少。圖4（b）當(dāng)中氮分子的譜線強(qiáng)度是由弧根開始逐步增加，在距離弧根是12mm時其強(qiáng)度達(dá)到了最大然后下降，著說明能量在17～18eV范圍內(nèi)的電子數(shù)日由弧根逐漸增加，到12mm時電子數(shù)目達(dá)到最大然后開始下降。在圖4（c）中氧原子譜線強(qiáng)度先增加后減小，說明能量在25～26eV范圍內(nèi)的電子數(shù)日由弧根開始逐漸增加，當(dāng)距離弧根為6mm時數(shù)目達(dá)到最大后隨著距離的增加具有高能最的電子數(shù)目開始下降。以上的分析表明：在弧根處電子的能量最低，在距離弧根為6mm處的電子能量最高，在距離弧根為12mm處的能量介于兩者間。

3.總結(jié)

本文研究了在大氣壓環(huán)境之下氬氣空心的針一板進(jìn)行放電時等離子體中原子的空間分布。采用空心針一板放電裝置得到長度約3cm的一條放電等離子體弧，本文的結(jié)果對大氣壓的非平衡等離子體材料的處理和理論的研究方面具有著一定程度上的指導(dǎo)意義。

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