脈沖調制對大氣壓射頻輝光放電穩(wěn)定性的影響

張 杰, 申亞軍, 郭 穎, 張 菁, 石建軍

(東華大學a. 材料科學與工程學院 b. 理學院, 上海201620)

脈沖調制對大氣壓射頻輝光放電穩(wěn)定性的影響

張 杰a, b, 申亞軍b, 郭 穎b, 張 菁a, b, 石建軍a, b

(東華大學a. 材料科學與工程學院 b. 理學院, 上海201620)

大氣壓射頻輝光放電的不穩(wěn)定性是限制其應用的主要原因, 脈沖調制射頻技術有助于提高放電穩(wěn)定性.通過試驗診斷放電電學特性，進一步研究了大氣壓脈沖調制射頻輝光放電中脈沖調制參數對放電穩(wěn)定性的影響.當固定調制脈沖頻率而降低占空比時, 特別是當射頻放電段工作在起輝階段時,α放電模式的電壓和電流范圍都增加; 當射頻頻率提高時也有助于增加射頻放電工作在α模式的電流范圍.在試驗中固定電壓幅值, 研究射頻頻率在5、10 和15 MHz時α-γ放電模式轉變隨占空比的變化, 驗證了在低占空比下可以獲得更穩(wěn)定的α模式放電, 另外在氦氣中摻入1.5%氮氣的情況下獲得了脈沖調制射頻輝光放電穩(wěn)定工作在α模式.研究結果表明, 通過調制脈沖參數可以控制大氣壓脈沖調制射頻輝光放電的穩(wěn)定性.

射頻輝光放電; 脈沖調制; 放電穩(wěn)定性

大氣壓射頻輝光放電(RF APGDs)是產生大氣壓低溫等離子體的放電形式之一[1-2], 相對于激發(fā)頻率在千赫茲范圍的大氣壓介質阻擋放電和高壓脈沖放電[3-4], 由于其具有等離子體密度高的特性, 在材料表面處理、薄膜沉積和生物滅菌等應用方面都體現出較高的處理效率[5-6].但是大氣壓射頻輝光放電的功率消耗大, 產生的等離子體中氣體溫度高, 放電模式也易轉變到不穩(wěn)定的γ放電模式[7-8], 這些特性限制了大氣壓射頻輝光放電等離子體的應用前景.通過脈沖調制射頻輝光放電可以實現對放電特性的調控[9-10], 這為大氣壓射頻輝光放電等離子體的應用提供了新的技術途徑.本文通過試驗診斷放電電學特性，研究了脈沖調制大氣壓射頻輝光放電中的調制脈沖頻率和占空比，以及射頻頻率對射頻放電段的影響, 并表征了不同放電參數下射頻放電段的α-γ模式轉變特性, 研究表明，當射頻放電段限制在放電起輝階段可以提高放電的穩(wěn)定性.

1 試 驗

在本文研究中, 放電在兩個尺寸相同的平行圓形銅電極間產生, 試驗裝置示意圖與文獻[10]中類似, 電極直徑為20 mm, 間距固定為 2.4 mm.其中, 上電極加載高壓信號, 下電極接地, 電極裝置密封在有機玻璃盒內, 以5 L/min通入氦氣(純度為99.999%), 氣壓始終保持在1.01(105Pa.脈沖調制射頻信號通過函數信號發(fā)生器(Tektronix AFG 3102型)產生, 然后再通過功率放大器(Amplifier Research 150A100B型)放大功率后加載到上電極.試驗中放電的電學特性通過電壓探頭(Tektronix P5100型)和電流探頭(Pearson 2877型)測量, 并由數字示波器(Tektronix TDS 3034C型)采集記錄.

2 結果與討論

2.1 不同占空比和射頻頻率下放電電壓和電流波形

當占空比分別為8%、 16%和32%時，大氣壓脈沖調制射頻輝光放電電壓(實線)和電流(虛線)波形圖如圖1所示, 其中, 調制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz.從圖1(a)可以看出, 當占空比為8%時, 調制脈沖信號打開的時間僅能維持約3個完整的射頻周期.當占空比為16%時, 如圖1(b)所示, 調制脈沖信號打開期間約有5個完整的射頻周期, 射頻電壓的幅值隨放電周期逐漸增大.當占空比為32%時, 如圖1(c)所示, 調制脈沖信號打開期間約有10個完整的射頻周期, 其中前5個射頻周期中電壓幅值隨放電周期逐漸增大, 而后5個射頻周期內電壓幅值保持穩(wěn)定, 維持在720 V直至射頻功率關閉.放電電流波形超前電壓波形一定的相位, 說明放電表現為容性特征[7-8].放電電流的幅值在開始階段也都表現出隨放電周期而增大, 這對應于放電的起輝過程[10], 特別是在占空比為8%和16%時, 如圖1(a)和1(b)所示, 放電電流幅值在達到穩(wěn)定前射頻功率已經關閉, 說明射頻放電段一直工作在放電起輝階段.

(a) 占空比為8%

(b) 占空比為16%

(c) 占空比為32%圖1 大氣壓射頻輝光放電在調制脈沖不同占空比時的電壓(實線)和電流(虛線)波形Fig.1 Voltage (solid) and current (dash) waveforms of pulse-modulated RF APGDs with different duty cycles of modulation pulses

(a) 5 MHz

(b) 10 MHz

(c) 15 MHz圖2 脈沖調制大氣壓射頻輝光放電在不同射頻頻率時的電壓(實線)和電流(虛線)波形Fig.2 Voltage (solid) and current (dash) waveforms of pulse-modulated RF APGDs at different radio frequencies

當射頻頻率分別為5、 10和15 MHz時大氣壓脈沖調制射頻輝光放電電壓(實線)和電流(虛線)波形圖如圖2所示, 其中, 調制脈沖頻率為500 kHz, 占空比為16%, 因此, 脈沖信號打開的時間都為0.32 μs. 由圖2可知, 當射頻頻率為5、 10和15 MHz時，射頻放電段都工作在放電起輝階段, 放電電壓和電流峰值隨射頻周期數而增大, 并且在到達到穩(wěn)定之前射頻功率已關閉.這是由于在射頻放電段中, 隨著射頻頻率的降低, 放電周期數目也會減少.

2.2 不同占空比和射頻頻率下放電電流和電壓特性

圖3 不同調制脈沖占空比時大氣壓射頻輝光放電的電流和電壓特性Fig.3 Current-voltage characteristics of pulse-modulated RF APGDs with different duty cycles

當占空比分別為6%、 8%、 16%和32%時，脈沖調制大氣壓射頻輝光放電的電流、電壓特性曲線如圖3所示, 其中, 調制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz.每個占空比下電流、電壓關系曲線的第一個和最后一個數據分別對應于射頻放電段產生和放電轉變?yōu)棣聊Ｊ綍r的電壓和電流峰值.由圖3可以清楚顯示出各占空比下發(fā)生α-γ放電模式轉變的電壓和電流峰值, 當占空比為6%、 8%、 16%和32%時, 放電模式轉變電壓峰值分別為1 140、 1 060、 980和800 V, 放電模式轉變電流峰值分別為424, 416, 300和237 mA.因此隨著占空比的提高, 放電模式轉變電壓和轉變電流都單調下降, 說明在脈沖調制射頻輝光放電中, 通過采用降低占空比的方法在更高放電強度下可以獲得穩(wěn)定的α模式放電.結合圖1中顯示的在低占空比條件下射頻放電段只工作在放電起輝階段, 說明通過限制大氣壓射頻輝光放電在起輝階段有助于提高放電的穩(wěn)定性.

當射頻頻率分別為5、 10和15 MHz時，大氣壓脈沖調制射頻輝光放電的電流電壓特性曲線如圖4所示, 其中, 調制脈沖頻率為500 kHz, 占空比為16%.每個射頻頻率下電流電壓關系曲線的第一個和最后一個數據分別對應于射頻放電段產生和放電轉變?yōu)棣媚Ｊ綍r的電壓和電流峰值.

圖4 不同射頻頻率時大氣壓射頻輝光放電的電流和電壓特性Fig.4 Current-voltage characteristics of pulse-modulated RF APGDs with different radio frequencies

由圖4可知, 當射頻頻率為5、 10和15 MHz時, 放電模式轉變電壓峰值分別為1 140、 1 040和980 V, 放電模式轉變電流峰值分別為80、 136和300 mA.隨著射頻頻率的上升, 放電模式轉變電壓單調下降, 而放電模式轉變電流單調上升, 說明放電工作在α模式的電流范圍更大.這與大氣壓射頻輝光放電的數值模擬和試驗結果一致[11-12], 主要是由于射頻頻率的提高會增強對放電空間電子的限制效應和降低鞘層厚度[12].

2.3 不同占空比和射頻頻率下放電穩(wěn)定性

當射頻頻率分別為5、 10和15 MHz時，大氣壓脈沖調制射頻輝光放電中電壓峰值和電流峰值隨占空比的變化如圖5所示, 其中, 調制脈沖頻率為500 kHz.

(a) 5 MHz

(b) 10 MHz

(c) 15 MHz圖5 脈沖調制大氣壓射頻輝光放電在不同射頻頻率時電壓峰值和電流峰值隨占空比的變化Fig.5 Duty cycle dependent peak voltage and peak current of pulse-modulated RF APGDs at different radio frequencies

當射頻頻率為5 MHz時, 如圖5(a)所示, 隨著占空比上升, 電壓峰值控制在900 V附近, 放電電流峰值緩慢增加, 當占空比增加到82%時, 電壓快速下降到385 V, 而電流繼續(xù)增加到71 mA, 放電表現為負阻抗特性, 這是射頻放電從α模式轉變到γ模式的典型特征[8, 12]. 當射頻頻率為10 MHz時, 如圖5(b)所示, 隨著占空比上升, 電壓峰值控制在840 V附近, 放電電流峰值先下降, 隨后緩慢增加, 當占空比增加到42%時, 放電從α模式轉變到γ模式, 電壓突降到445 V. 當射頻頻率為15 MHz時, 如圖5(c)所示, 隨著占空比上升, 電壓峰值控制在850 V附近, 放電電流峰值先維持不變隨后緩慢增加, 當占空比增加到28%時, 放電從α模式轉變到γ模式, 電壓突降到547 V.比較5、 10和15 MHz 3個頻率下發(fā)生放電模式轉變時的占空比分別為72%、 36%和26%, 而對應的放電電流峰值分別為58、 112和282 mA.由此可見, 當射頻頻率較高時, 在更小的占空比和更大的放電強度下放電維持在α模式下工作, 具有更高的放電穩(wěn)定性.在調制脈沖頻率一定的情況下, 調制脈沖占空比和射頻頻率共同決定了射頻放電段內的射頻周期數, 其也決定了射頻放電是否工作在放電起輝階段.

當占空比分別為8%、 16%和32%時的大氣壓脈沖調制射頻輝光放電中電流峰值的變化如圖6所示, 其中, 調制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz, 對應于圖1中的電流波形.

圖6 不同占空比時大氣壓脈沖調制射頻輝光放電中峰值電流變化Fig.6 Current amplitudes of pulse-modulated RF APGDs with different duty cycles

由圖6可知, 當占空比為8%時, 放電的電流峰數目較少, 電流峰值也隨電流峰數目迅速增大. 當占空比為16%時, 電流峰值先隨電流峰數目增大, 隨著電流峰數到達7, 對應的電流峰值為100 mA, 電流峰數目繼續(xù)增大到8和9時, 對應的電流峰值為99和98 mA, 基本不變, 峰值電流隨電流峰數先增大后穩(wěn)定, 說明射頻放電段經歷完整的放電起輝過程. 當占空比為32%時, 總體趨勢和占空比為16%時相類似, 電流峰值隨電流峰數目先增大后穩(wěn)定, 電流峰數到達7以后, 電流峰值基本處于穩(wěn)定狀態(tài).說明在占空比低于16%時射頻放電工作在放電起輝階段, 這有助于提高射頻輝光放電的穩(wěn)定性.

在大氣壓射頻輝光放電應用中, 摻入不同反應性氣體是提高等離子體處理效果和效率的關鍵, 這里以氮氣為代表性反應性氣體, 研究其摻入氦氣中后對放電穩(wěn)定性的影響.當不同比例氮氣摻入時的大氣壓脈沖調制射頻輝光放電中電壓峰值和電流峰值隨占空比的變化如圖7所示, 其中, 調制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz.在氦氣放電中摻入氮氣會使放電的穩(wěn)定性變差, 尤其是氮氣流量較大時, 大氣壓射頻輝光放電很難控制在α放電模式.

(a) 電壓峰值

(b) 電流峰值圖7 不同體積分數氮氣摻入時大氣壓脈沖調制射頻輝光放電中電壓峰值和電流峰值隨占空比的變化Fig.7 Duty cycle dependent peak voltage and peak current of pulse-modulated RF APGDs with different volume ratio of nitrogen introduction

由圖7(a)可知, 在摻入不同比例氮氣的情況下, 在固定電壓峰值的情況下隨著占空比的提高, 射頻放電段將發(fā)生α-γ模式轉變, 圖中曲線的最后一個點是在γ放電模式下的電壓和電流峰值.可以看到, 當摻入的氮氣體積分數分別為0%、 0.5%、 1.0%和1.5%時, 射頻放電段工作在α模式下的最大占空比分別為56%、 36%、 22%和16%.由此可見, 當采用較小的占空比時, 射頻放電段可以在摻入更多氮氣的情況下維持放電穩(wěn)定性, 同時放電維持所需的電壓峰值也更高.由圖7(b)可知, 當摻入的氮氣體積分數分別為0%、 0.5%、 1.0%和1.5%時, 放電工作在α模式下的最大占空比與圖7(a)中對應, 其電流峰值分別為182、 178、 180和190 mA.說明當采用較小的占空比時, 控制射頻放電段工作在放電起輝階段, 射頻放電段能在更大的放電電流下維持在α放電模式.

3 結 語

大氣壓氦氣脈沖調制射頻輝光放電中, 當調制頻率為500 kHz時, 隨著射頻頻率的增加和占空比的減小, 工作在α模式的放電電流范圍都會增大, 說明放電的穩(wěn)定性增強, 這主要是由于通過脈沖調制限制射頻放電段工作在放電起輝階段.通過脈沖調制射頻放電技術, 當氦氣中摻入氮氣體積分數達到1.5%時, 可以通過減小占空比來維持放電的穩(wěn)定性.

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(責任編輯: 徐惠華)

Stable Operation of Radio-Frequency Atmospheric Glow Discharges by Pulse Modulation

ZHANGJiea, b,SHENYajunb,GUOYingb,ZHANGJinga, b,SHIJianjuna, b

(a. College of Materials Science and Engineering; b. College of Science, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The discharge instability of radio-frequency (RF) atmospheric pressure glow discharges (APGDs) limits their potential applications, which can be improved by the pulse modulation on radio-frequency excitation. The electrical characteristics of discharge are investigated experimentally on the characteristics of modulation pulses in terms of frequency and duty cycle. The ranges of voltage and current inαdischarge mode are expanded by reducing the duty cycle with fixed frequency, especially when the RF discharge burst operates in the ignition phase. The ranges of current in α discharge mode are also expanded with elevated radio frequency. Furtherly, the improvement of discharge stability with reduced duty cycle is confirmed experimentally byα-γmode transition with fixed voltage and radio frequency of 5, 10 and 15 MHz. The stable operation ofαdischarge mode is achieved with the introduction of 1.5% nitrogen in helium in pulse modulated RF atmospheric pressure glow discharges. Research results show that the discharge stability of RF discharge can be improved by manipulating the characteristics of modulation pulses.

radio-frequency glow discharges; pulse modulation; discharge stability

1671-0444 (2017)02-0293-05

2016-03-09

國家自然科學基金資助項目(11475043, 11375042)

張 杰(1986—)，男，上海人，博士研究生，研究方向為低溫等離子體物理. E-mail: zhangjdhu2007@sina.com 石建軍(聯系人)，男，教授, E-mail: JShi@dhu.edu.cn

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