正弦高壓驅(qū)動(dòng)的氬等離子體射流長(zhǎng)度和溫度特性的研究*

俞永波，楊蘭蘭，屠　彥，戶(hù)玎嵐

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京，210096)

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正弦高壓驅(qū)動(dòng)的氬等離子體射流長(zhǎng)度和溫度特性的研究*

俞永波，楊蘭蘭*，屠彥，戶(hù)玎嵐

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京，210096)

摘要:大氣壓低溫等離子體射流的長(zhǎng)度和溫度是射流的兩個(gè)重要的參數(shù)，利用10kHz的正弦高壓驅(qū)動(dòng)在大氣環(huán)境中產(chǎn)生了穩(wěn)定的Ar等離子體射流，并對(duì)射流的長(zhǎng)度特性和溫度特性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)射流的長(zhǎng)度隨著外加電壓的增加而增加，隨著氣流速率的增加先增加，到達(dá)一定值后又逐漸減小。利用光纖溫度計(jì)和光譜儀測(cè)量并計(jì)算了射流的宏觀(guān)溫度以及電子激發(fā)溫度，發(fā)現(xiàn)射流的宏觀(guān)溫度接近室溫，而電子激發(fā)溫度均小于1.5×104K，基本屬于冷等離子體范疇，并且它們均隨著外加電壓的增加而增加。

關(guān)鍵詞:等離子體射流;長(zhǎng)度;溫度;電子激發(fā)溫度;外加電壓;氣流速率;光譜強(qiáng)度

大氣壓低溫等離子體射流是在電場(chǎng)和氣流共同作用下使放電區(qū)域產(chǎn)生的等離子體從噴管?chē)姵觯⒃谥車(chē)拇髿猸h(huán)境中形成定向的流動(dòng)及進(jìn)一步的放電［1］。近10年來(lái)，大氣壓低溫等離子體射流因?yàn)楠?dú)特的性質(zhì)已成為一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)，并且在產(chǎn)生機(jī)理和應(yīng)用發(fā)展等方面均取得了不錯(cuò)的成果。在等離子體射流產(chǎn)生機(jī)理方面，一種被人們較為認(rèn)可的解釋是Lu和Laroussi等提出的基于光致電離的流光模型［2］。在等離子體射流的應(yīng)用方面，研究者們也在不斷嘗試新的探索，在材料表面處理［3－4］，生物醫(yī)學(xué)［5－6］等方面都表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。為了更好的應(yīng)用等離子體射流技術(shù)，還需要更加深入、詳細(xì)的研究其基本特性及基本的物理參數(shù);射流的長(zhǎng)度和溫度是其中兩個(gè)重要的參數(shù)，直接關(guān)系到射流能否得到更好、更廣泛的應(yīng)用。本文利用正弦高壓驅(qū)動(dòng)在大氣環(huán)境下產(chǎn)生了穩(wěn)定的氬等離子體射流，并進(jìn)一步研究了電壓、氣體流速對(duì)射流長(zhǎng)度和溫度特性的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

等離子體射流的產(chǎn)生裝置和測(cè)試裝置如圖1所示，其中高壓電源是南京蘇曼公司生產(chǎn)的低溫等離子體實(shí)驗(yàn)電源(CTP－2000K/P)。純度為99.99%的Ar作為工作氣體，其連接一個(gè)浮標(biāo)氣體流量計(jì)控制流速。等離子體射流采用介質(zhì)阻擋放電方式產(chǎn)生;射流的發(fā)生裝置是一種針加環(huán)的電極結(jié)構(gòu);一根長(zhǎng)為4 cm石英管作為介質(zhì)阻擋層，石英管外徑4 mm，內(nèi)徑2 mm;單根銅導(dǎo)線(xiàn)位于石英管內(nèi)作為高壓針電極，在距離石英管管口4 mm處有一銅環(huán)作為地電極，其通過(guò)100 Ω的無(wú)感電阻接地。利用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS300D)在暗環(huán)境里對(duì)等離子體射流的積分圖像進(jìn)行記錄，曝光時(shí)間30 s，光圈5.6，可通過(guò)圖像對(duì)射流的長(zhǎng)度進(jìn)行研究。外加電壓是通過(guò)實(shí)驗(yàn)電源內(nèi)部的一個(gè)電容分壓器(1000:1)輸出到數(shù)字示波器(Agilent DS06034A)中進(jìn)行測(cè)量的，下文中出現(xiàn)的外加電壓值均指電壓的峰－峰值。采用明琉科技生產(chǎn)的光纖溫度計(jì)(DHV)對(duì)等離子體射流的宏觀(guān)溫度進(jìn)行測(cè)量。光譜儀(Ocean Optics Maya 2000)用來(lái)測(cè)量射流的發(fā)射光譜，其積分時(shí)間為6 ms～10 s，實(shí)驗(yàn)中在探頭前面加一個(gè)黑色細(xì)管，并且使管口直接接觸射流邊緣以提高光譜儀的空間分辨力，通過(guò)測(cè)量的光譜可以計(jì)算射流的電子激發(fā)溫度。

圖1　等離子體射流產(chǎn)生及測(cè)試裝置圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1Ar等離子體射流的長(zhǎng)度特性

大氣壓Ar等離子體射流從外觀(guān)上看起來(lái)是一條細(xì)長(zhǎng)的發(fā)光通道，其長(zhǎng)度在很大程度上影響和制約射流的應(yīng)用。在氣流速率為2.31 L/min的條件下，調(diào)節(jié)外加電壓，得到了射流的積分圖像如圖2所示;為了進(jìn)一步研究外加電壓對(duì)射流長(zhǎng)度的影響，作出了射流長(zhǎng)度隨外加電壓的變化曲線(xiàn)如圖3所示。從曲線(xiàn)可以看出射流的長(zhǎng)度并不是單純的隨電壓的增加而增加;在電壓較小時(shí)，射流長(zhǎng)度先是快速增長(zhǎng)，隨后增長(zhǎng)的速率逐漸放緩，當(dāng)電壓到達(dá)一定值后，射流長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定;然而繼續(xù)增大電壓時(shí)，射流長(zhǎng)度又開(kāi)始增加并且與外加電壓呈線(xiàn)性關(guān)系。目前對(duì)于等離子體射流傳播機(jī)理較為認(rèn)可的是基于光致電離的流注理論，外加電壓對(duì)射流的影響可以歸結(jié)為電場(chǎng)對(duì)射流的作用，電場(chǎng)越大，流注發(fā)展的越劇烈，傳播的越遠(yuǎn)，射流的長(zhǎng)度也因此越長(zhǎng)。

圖2　不同外加電壓下Ar等離子體射流圖像

圖3　射流長(zhǎng)度隨外加電壓的變化曲線(xiàn)

除了外加電壓，氣流速率也是影響等離子體射流長(zhǎng)度的一個(gè)重要因素［7］。在外加電壓保持不變的條件下改變氣流速率，得到射流的圖像如圖4所示，由圖4可以發(fā)現(xiàn)在不同的氣流速率下，射流的長(zhǎng)度有較大的差異。作出射流長(zhǎng)度隨氣流速率的變化曲線(xiàn)如圖5所示，等離子體射流的長(zhǎng)度隨著氣流速率的增加先增加，到達(dá)最大值后再逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。在氣流速率較小時(shí)，射流較細(xì)，隨著氣流速率的增加，射流的直徑也有所增加。氣體流速對(duì)等離子體射流長(zhǎng)度的影響，主要是因?yàn)殡S著流速的增加，氣體的狀態(tài)要發(fā)生變化。當(dāng)流速很小時(shí)，處于層流狀態(tài)，氣體內(nèi)部分層流動(dòng)且每層互不混合;逐漸增加流速，氣體的流線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此時(shí)為過(guò)渡流狀態(tài);繼續(xù)增大流速，氣體將會(huì)進(jìn)入湍流狀態(tài)，此時(shí)流線(xiàn)不再清楚可辨，并且內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)很多小渦流。層流、湍流的區(qū)分在理論上可以用雷諾數(shù)來(lái)判斷［8］。雷諾數(shù)Re定義為:

式中:Q為氣流速率，m3/s; D為石英管內(nèi)徑，m; v為運(yùn)動(dòng)粘度，在實(shí)驗(yàn)條件下v取1.3×10－5，m2/s; A為氣流的橫截面積，m2。當(dāng)Re＜2 000時(shí)，氣流狀態(tài)為層流;當(dāng)Re為2 000～3 000時(shí)為過(guò)渡流狀態(tài);當(dāng)Re＞3 000時(shí)，氣流狀態(tài)為湍流［9］。由曲線(xiàn)可得在層流階段，射流的長(zhǎng)度隨著氣流速率的增加而增加，而到了湍流階段，氬氣出現(xiàn)擺動(dòng)，使得射流前端氬氣含量減少，空氣含量增加，由于空氣比氬氣難電離，導(dǎo)致射流的長(zhǎng)度逐漸變短。因此，流速和電壓一樣對(duì)射流的長(zhǎng)度影響很大，兩者共同作用，通過(guò)對(duì)氣體流場(chǎng)和空間電場(chǎng)的改變來(lái)影響射流的長(zhǎng)度。

圖4　不同氣流速率下的射流圖片

圖5　射流長(zhǎng)度隨氣流速率的變化曲線(xiàn)

2.2Ar等離子體射流的溫度特性

等離子體射流的溫度是指射流的宏觀(guān)溫度，在實(shí)際應(yīng)用中為了避免對(duì)溫度敏感材料以及人體、細(xì)胞等造成傷害，需要較低溫度的等離子體射流。本實(shí)驗(yàn)利用光纖溫度計(jì)，在環(huán)境溫度為15℃的條件下對(duì)產(chǎn)生的Ar等離子體射流進(jìn)行了溫度測(cè)量，得到射流溫度隨外加電壓的變化曲線(xiàn)如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)射流的溫度隨著外加電壓的增加而增加，并且當(dāng)外加電壓達(dá)到7 kV左右后射流的溫度上升的較快，但是射流溫度整體依然較低。實(shí)驗(yàn)中利用光纖溫度計(jì)測(cè)量的等離子體射流的溫度與文獻(xiàn)中［10］利用光譜擬合所得到的射流溫度相比要低一些，這可能是因?yàn)槔霉庾V擬合法計(jì)算出來(lái)的溫度是射流發(fā)光時(shí)刻的溫度［11］，而光纖溫度計(jì)測(cè)量的是一段時(shí)間內(nèi)射流溫度的平均值，在這段時(shí)間里，射流會(huì)向周?chē)諝鈧鬟f能量，導(dǎo)致溫度降低，因而受環(huán)境溫度的影響較大。

圖6　等離子體射流的溫度隨電壓的變化曲線(xiàn)

電子溫度也是等離子體物理特性中的一個(gè)重要參數(shù)，冷等離子體射流的電子溫度一般在103K～104K;在等離子體射流中，電子激發(fā)是電子能量損失的主要途徑，電子激發(fā)溫度略低于電子溫度，因而可以用電子激發(fā)溫度來(lái)估算電子溫度。在等離子體射流中，存在各種粒子的頻繁碰撞，在局部熱平衡條件下處于各能級(jí)的粒子數(shù)遵循波爾茲曼分布:

式中:n、g、E分別表示相應(yīng)能級(jí)上的粒子數(shù)，該能級(jí)上的統(tǒng)計(jì)權(quán)重以及相應(yīng)能級(jí)的激發(fā)能，k是波爾茲曼常數(shù)，Texc即為電子的激發(fā)溫度;同時(shí)譜線(xiàn)強(qiáng)度I和處于上能級(jí)的粒子數(shù)密度n成正比，和躍遷幾率A及光子能量hv成正比，它們之間的關(guān)系［12］:

式中:l是測(cè)量方向上等離子體的厚度。由式(2)～式(3)可得對(duì)于同種原子或離子的兩條譜線(xiàn)滿(mǎn)足如下關(guān)系:

譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)的g，A和E參數(shù)值則由NIST數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。因?yàn)楣庾V儀對(duì)不同波長(zhǎng)的量子效率是不同的，為了盡量減少誤差，選取了Ar(4p→4s)的2條相近并且能級(jí)相差較大的譜線(xiàn)，其相關(guān)參數(shù)如表1所示，由式(5)即可求得電子的激發(fā)溫度，得到電子激發(fā)溫度隨電壓的變化曲線(xiàn)如圖7所示。

所以電子激發(fā)溫度為:

表1　Ar的2條譜線(xiàn)及其相關(guān)參數(shù)

圖7　電子的激發(fā)溫度隨著電壓的變化曲線(xiàn)

Ar等離子體射流中電子的激發(fā)溫度隨著電壓的增大而增大;這是由于電壓增大，放電功率增大，進(jìn)而產(chǎn)生更多的高能電子，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)分布增大，導(dǎo)致激發(fā)溫度的提高。計(jì)算得到的電子溫度小于1.5×104K，基本屬于冷等離子體射流范疇。這種相對(duì)強(qiáng)度法計(jì)算電子的激發(fā)溫度，所得到的結(jié)果與選取的譜線(xiàn)有關(guān)，精度不高，但是可以用來(lái)估算電子溫度范圍以及了解其隨電壓變化的趨勢(shì)。

3　總結(jié)

大氣壓低溫等離子體射流是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景;通過(guò)本文的研究發(fā)現(xiàn):外加電壓和氣流速率是影響等離子體射流長(zhǎng)度的兩個(gè)重要的因素，射流的長(zhǎng)度隨著外加電壓的增大而增長(zhǎng)，隨著氣流速率的增大先增大，到達(dá)一定值后再逐漸減小。在對(duì)等離子體射流的溫度研究中發(fā)現(xiàn)，其宏觀(guān)溫度接近于室溫，并且隨著外加電壓的增加而增加，同時(shí)電子激發(fā)溫度也隨電壓的增加而增加。通過(guò)本文的研究可以為等離子體射流的應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)依據(jù)，但是射流的產(chǎn)生機(jī)制以及部分應(yīng)用原理還沒(méi)有完全清楚，低溫等離子體射流要想得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，還需要對(duì)其做更深一步的研究。

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俞永波(1991－)，男，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生，yongboyu0815@163.com;

楊蘭蘭(1978－)，女，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)，jujube_yang@seu.edu.cn。

Thermal Characteristic Calibration and Optimization of TO－220 Package Power Device Based on ANSYS Software*

WANG Jianfeng，LIU Siyang，SUN Weifeng*
(National ASIC System Engineering Technology Research Center，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:The ANSYS software is used to establish the 3D model of the TO－220 package power device and calibrate the model.The calibration process is to study the effects upon the model accuracy from the presence or absence of PCB，the thickness of the heat source and the presence or absence of lead.Based on the calibrated model，the effects upon the heat dissipation from the area of the adhesive layer，the position of the chip relative to the substrate and the base area have been also investigated.The results show that the size of the solder layer basically has no influence on the heat dissipation，the chip die attach process should try to place the chip in the middle and down position，moreover，the larger the area of the substrate，the better the dissipation effect will be.

Key words:TO－220 package; ANSYS; power device; calibration; optimization

doi:EEACC:0170J10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.003

收稿日期:2014－09－11修改日期:2014－10－10

中圖分類(lèi)號(hào):O539; TM89

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0730－04

項(xiàng)目來(lái)源:江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012737);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61271053，50907009);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2242011R30018)