Ar/CH4等離子體射流發(fā)射光譜診斷研究

李政楷，陳 雷*，楊 聰，宋 鵬，曾 文，劉愛(ài)虢，龐鈞譯

1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136 2.大連民族大學(xué)機(jī)電信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116600 3.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連 116024

引 言

大氣壓等離子體射流憑借其產(chǎn)生裝置簡(jiǎn)單、射流溫度低、活性粒子種類(lèi)豐富且濃度較高等特點(diǎn)，在材料科學(xué)[1]、能源環(huán)境[2]、點(diǎn)火助燃[3]、醫(yī)療[4]等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)大氣壓等離子體射流作為等離子體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)吸引大量的科研人員對(duì)其進(jìn)行研究。1998年，Rie等[5]利用等離子體特征光譜來(lái)對(duì)等離子體中的成分進(jìn)行分析；Nimisha[6]等利用發(fā)射光譜法對(duì)等離子體射流的活性粒子種類(lèi)進(jìn)行了檢測(cè)，并通過(guò)氫氣的譜線對(duì)等離子體射流內(nèi)部的電子密度進(jìn)行了計(jì)算；宋振興等[7]研究了氬氣體積分?jǐn)?shù)、外加電壓幅值及氣體流量在介質(zhì)阻擋放電時(shí)對(duì)等離子體射流電子激發(fā)溫度的影響；宋鵬[8]等研究的不同電極形狀對(duì)等離子體射流電子激發(fā)溫度、電子密度隨峰值電壓的變化規(guī)律的影響。

電子激發(fā)溫度、電子密度以及活性基種類(lèi)是等離子體的三大基本參數(shù)，弄清這些參數(shù)隨試驗(yàn)工況的變化規(guī)律對(duì)提高Ar/CH4等離子體射流在工程實(shí)際中的放電效率、優(yōu)化放電結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的作用。為了更好的反映Ar/CH4等離子體射流形成過(guò)程時(shí)空多尺度結(jié)構(gòu)及空間效應(yīng)，本文設(shè)計(jì)了一種針-環(huán)式結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生器，在大氣壓條件下對(duì)Ar/CH4混合氣放電并產(chǎn)生等離子體射流，利用發(fā)射光譜法對(duì)Ar/CH4等離子體射流的光譜特性進(jìn)行了分析，并研究了三大基本參數(shù)隨各工況的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

圖1為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置示意圖，其中等離子體發(fā)生器為自主設(shè)計(jì)的針-環(huán)射流裝置，該發(fā)生器的中心電極為一個(gè)尖銳的紫銅電極，其與高壓電源相連接，低壓電極為與接地端串接的紫銅帶，絕緣層的材料選用為石英玻璃。該發(fā)生器的直徑為12 mm,石英玻璃管壁厚為2 mm，低壓電極的寬度為12 mm，且距中心電極尖端的距離為10 mm,放電間隙為3 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of jet experimental device and measurement system

試驗(yàn)采用CPT-2000K型微秒脈沖低溫等離子體電源，電源電壓在0～30 kV內(nèi)可調(diào)，放電電流的采樣阻值為50 Ω，所得電流、電壓以及放電頻率等參數(shù)皆記錄在Tronix-TDS1002型數(shù)字型示波器上；試驗(yàn)中使用的氣體由高壓氣瓶提供(純度為99.99%)，發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)由AvaSpec-ULS2048-4-USB2SZ光纖式光譜儀及計(jì)算機(jī)組成。光纖探頭將接收光信號(hào)并測(cè)量發(fā)射光譜的譜線強(qiáng)度，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)在與光譜儀連接的計(jì)算機(jī)中。

1.2 診斷方法

等離子體射流的診斷方法很多，例如探針?lè)╗9]，原子熒光光譜法[10]等。原子發(fā)射光譜因其診斷準(zhǔn)確性上的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中使用廣泛。

1.2.1 電子激發(fā)溫度診斷方法

當(dāng)分子、原子、離子以及自由基等物質(zhì)發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)以釋放光子的形式輻射出能量形成發(fā)射光譜，通過(guò)分析光譜信息可得到等離子體射流的電子激發(fā)溫度信息。

本實(shí)驗(yàn)的等離子體射流可近似認(rèn)為處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)，故以多譜線斜率法來(lái)對(duì)Ar/CH4等離子體射流的電子激發(fā)溫度進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于處于LTE狀態(tài)的等離子體，處于Ek能級(jí)的粒子數(shù)滿足玻爾茲曼分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式(1)中，N和Z分別表示原子數(shù)總密度及分配函數(shù)，nk和g分別為上能級(jí)Ek上的粒子數(shù)和統(tǒng)計(jì)權(quán)重，k為玻爾茲曼常數(shù)，Ek為激發(fā)能，Te為電子激發(fā)溫度。

當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的粒子向低能級(jí)進(jìn)行躍遷時(shí)，相對(duì)光譜強(qiáng)度的表達(dá)式為

(2)

式(2)中，h為普朗克常數(shù)，c為真空光速，λ為特征譜線波長(zhǎng)，A為躍遷概率，E為激發(fā)能，其中Ek，g和A的值可在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)的躍遷幾率表中查得。

對(duì)式(2)兩端同時(shí)取對(duì)數(shù)，可以得出

(3)

由式(3)可知，ln(Ιλ/gA)和Ek呈線性關(guān)系，所以只要測(cè)得光譜線的相對(duì)譜線強(qiáng)度就可以繪出以ln(Ιλ/gA)為縱坐標(biāo)、Ek為橫坐標(biāo)的直線圖，通過(guò)求得直線圖的斜率就可以得到等離子體射流的電子激發(fā)溫度。

1.2.2 電子密度診斷方法

任何譜線的輪廓都具有一定的范圍，也就是譜線寬度。通常來(lái)講，譜線的加寬機(jī)制主要有自然加寬、多普勒加寬、Stark加寬以及儀器加寬，粒子發(fā)射光子時(shí)受到周邊其他帶電粒子的影響而引起的譜線的加寬就是Stark加寬，Stark加寬是主要加寬機(jī)制之一，而影響Stark加寬的最主要因素就是電子密度。故可通過(guò)Stark加寬來(lái)求解電子密度。

在高密度等離子體中，譜線的Stark加寬可表示為電子密度及電子激發(fā)溫度的一個(gè)復(fù)雜公式

(4)

式(4)中：α為離子碰撞參數(shù)，ω為電子碰撞半寬。

2 結(jié)果與討論

2.1 射流形態(tài)及射流成分分析

本次試驗(yàn)放電頻率為10 kHz，峰值電壓由6 kV依次遞加到11 kV(間隔1 kV)。

試驗(yàn)所得Ar/CH4等離子體射流如圖2所示，從圖中可以看到Ar/CH4等離子體射流呈淡藍(lán)色。試驗(yàn)過(guò)程中在Ar/CH4等離子體射流的邊緣可觀察到絲狀毛刺并伴有刺耳的電離聲，在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)Ar/CH4等離子體射流的尖端形態(tài)波動(dòng)較大，氣流的擾動(dòng)及空氣中負(fù)電性的氧是造成這種現(xiàn)象的主要原因。其中負(fù)電性氣體對(duì)電子的吸引能力很強(qiáng)，因此在Ar/CH4等離子體射流中，電子與活性粒子之間的碰撞更少。進(jìn)而導(dǎo)致Ar/CH4等離子射流的尖端射流形狀發(fā)生很大的波動(dòng)。

圖2 大氣壓Ar/CH4等離子體射流Fig.2 Photograph of Ar/CH4 plasma jet at atmospheric pressure

Ar/CH4等離子體射流中的特征光譜信息如圖3所示，從圖3(a)和(b)中可以觀察到CH(431.115)基團(tuán)、CⅢ(465.254)、CⅣ(468.251)、C、CⅡ、ArⅠ、ArⅡ的譜線，其中含碳粒子的譜線主要集中在400～600 nm之間，ArⅠ和ArⅡ的分布區(qū)間在680～800 nm之間。

圖3 Ar/CH4等離子體射流發(fā)射光譜信息(a):甲烷電離區(qū)；(b):氬氣電離區(qū)Fig.3 Spectralline distribution of Ar/CH4 plasma jet(a)：The ionization zone of CH4;(b)：The ionization zone of Ar

在高壓脈沖的作用下CH4電離過(guò)程可表示為式(5)

(5)

在發(fā)生DBD放電時(shí)，Ar/CH4混合氣中的自由電子會(huì)在電場(chǎng)的作用下變?yōu)楦吣茈娮?，高能電子與正四面體結(jié)構(gòu)的CH4分子之間發(fā)生非彈性碰撞，使得CH4分子中的C—H鍵斷裂，CH4分子由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的CHn(n=1，2，3)。這些自由基在高能電子的轟擊下進(jìn)一步脫氫電離形成新的自由基以及Cn(n=Ⅰ，Ⅱ，Ⅱ，Ⅳ)，但是在本次試驗(yàn)的光譜圖像并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)CH2和CH3的特征光譜，可能的原因是在本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)工況下該活性粒子的產(chǎn)量很少、且壽命很短，所以在特征光譜圖中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)。同時(shí)在放電的過(guò)程中，通過(guò)特征光譜可以發(fā)現(xiàn)，原子碳及離子碳之間會(huì)發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，生成CⅡ，CⅢ和CⅣ。

2.2 CH基團(tuán)濃度變化規(guī)律

為保證所得譜線相對(duì)光譜強(qiáng)度的精準(zhǔn)度降低試驗(yàn)誤差，每一工況的相對(duì)光譜強(qiáng)度均測(cè)量三次后取平均值。由不同工況下CH基團(tuán)相對(duì)光譜強(qiáng)度曲線可觀察到CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度隨氬氣甲烷體積流量比及峰值電壓的變化規(guī)律。CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度變化可體現(xiàn)CH4分子的分解程度，且同一譜線的強(qiáng)度是與該粒子的密度成正比的，所以可通過(guò)觀察CH基團(tuán)譜線的相對(duì)光譜強(qiáng)度隨宏觀條件的變化規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)CH基團(tuán)的實(shí)際粒子數(shù)隨宏觀條件的變化規(guī)律。圖4所示為不同工況下CH基團(tuán)相對(duì)光譜強(qiáng)度。如圖4所示，可知保持體積流量比不變，隨峰值電壓的增大CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而保持峰值電壓不變時(shí)，CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度隨體積流量比的增大而減小。

圖4 不同工況下CH基團(tuán)相對(duì)光譜強(qiáng)度Fig.4 The comparison of spectrum intensity of CH particle under different operating conditions

由前文分析可知，CH4分子的分解主要是因其與高能電子及活性基團(tuán)之間的非彈性碰撞。當(dāng)峰值電壓較小時(shí)，電子平均動(dòng)能較低，所以CH4分子因非彈性碰撞而碎裂的量很少，因而放電開(kāi)始時(shí)CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度相對(duì)較低。隨著峰值電壓的逐漸增大，電子平均動(dòng)能增大，甲烷分子因與電子碰撞而碎裂的程度不斷增大，等離子體射流中的活性粒子數(shù)增加，所以CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度相應(yīng)提高。這一變化表明在Ar/CH4等離子體射流中，增大峰值電壓可使CH4及其離解形成的各種碳?xì)浠鶊F(tuán)產(chǎn)生較明顯的脫氫。當(dāng)保持峰值電壓不變、增大體積流量比時(shí)CH基團(tuán)的相對(duì)光譜強(qiáng)度隨體積流量比的增大而減小，由圖5可知，隨體積流量比的增大C原子的相對(duì)光譜強(qiáng)度隨之增大。這說(shuō)明增加了大量的易電離的惰性氣體增強(qiáng)了Ar/CH4等離子體射流的潘寧離化效應(yīng)，同時(shí)這一過(guò)程加劇了Ar/CH4等離子體射流中自由電子與活性基之間的非彈性碰撞，在加速CH4分子脫氫的同時(shí)，也加速了脫氫主要產(chǎn)物CH基團(tuán)中的C—H鍵發(fā)生斷裂。C—H鍵斷裂生成的C原子及C離子之間會(huì)發(fā)生復(fù)合反應(yīng)生成CⅡ，CⅢ和CⅣ等物質(zhì)。

圖5 不同工況下C原子相對(duì)光譜強(qiáng)度Fig.5 The comparison of spectrum intensity of C atom under different operating conditions

2.3 電子激發(fā)溫度分析

本次試驗(yàn)采用多譜線斜率法對(duì)等離子體的電子激發(fā)溫度進(jìn)行分析與計(jì)算，在計(jì)算的過(guò)程中為保證計(jì)算精度，需對(duì)特征光譜信息進(jìn)行篩選并選擇激發(fā)能級(jí)相差較大的譜線。因混合氣中惰性氣體Ar占比極高，高能電子主要由Ar率先電離產(chǎn)生，故選擇四條Ar的譜線來(lái)進(jìn)行電子激發(fā)溫度的計(jì)算，通過(guò)NIST查詢可獲得相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 Ar原子特征譜線參數(shù)Table 1 Characteristic spectral line parameters of Ar atom

圖6為不同體積流量比下Ar/CH4等離子體玻爾茲曼擬合線，由圖可知特征譜線所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布在玻爾茲曼線的兩側(cè)，具有一元擬合程度較高的特點(diǎn)(均方差在0.1～0.3之間)，且隨峰值電壓的增大，擬合直線呈向上的偏移趨勢(shì)。圖7是Ar/CH4等離子體射流電子激發(fā)溫度隨不同工況的變化趨勢(shì)，可以看到，當(dāng)保持體積流量比不變，增大峰值電壓時(shí)，電子激發(fā)溫度呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S峰值電壓的增大，放電功率會(huì)隨之增大，且電場(chǎng)做功主要耦合在自由電子上，在自由電子平均自由程不變的情況下，自由電子所能獲得的期望能量也就越高，所以電子激發(fā)溫度也隨峰值電壓的增大而增大。當(dāng)保持峰值電壓不變?cè)龃篌w積流量比時(shí)，電子激發(fā)溫度也隨體積流量比增大而增大。由于增大混合氣中氬氣的含量可有效的增加介質(zhì)阻擋放電的放電強(qiáng)度，提高放電效率，所以電子能量增加，電子激發(fā)溫度也就隨之增大。

圖6 Ar/CH4等離子體玻爾茲曼擬合線Fig.6 Ar/CH4 plasma Boltzmann fitting straight line diagram

圖7 不同工況下電子激發(fā)溫度Fig.7 Electron excitation temperature under different operating conditions

2.4 電子密度分析

等離子體特征譜線中蘊(yùn)含著大量的信息，本文通過(guò)分析ArⅠ (696.54 nm) 譜線的Stark展寬來(lái)計(jì)算Ar/CH4等離子體射流的電子密度，在應(yīng)用EES工程計(jì)算軟件求解經(jīng)驗(yàn)公式后得到的電子密度隨不同工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示?？梢钥闯觯?dāng)保持體積流量比恒定、增大峰值電壓時(shí)，電子密度呈現(xiàn)先急劇增大后緩慢增加趨勢(shì)。這是因?yàn)榉逯惦妷旱脑龃髮?dǎo)致介質(zhì)阻擋放電的微放電通道的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，微放電通道內(nèi)的電荷輸運(yùn)能力加快，高能電子與體系中其他粒子之間的碰撞加劇形成電子雪崩，使得體系內(nèi)的電子密度總體呈增大趨勢(shì)，在介質(zhì)阻擋放電的同時(shí)在介質(zhì)層上會(huì)積累大量電荷形成反向電場(chǎng)，阻礙放電進(jìn)行，8 kV之后電子密度漲幅放緩說(shuō)明峰值電壓的增大將導(dǎo)致介質(zhì)層上積累更多的電荷形成場(chǎng)強(qiáng)更大的反向電場(chǎng)。當(dāng)控制峰值電壓恒定改變體積流量比時(shí)，電子密度隨體積流量比增大而增大，這是因?yàn)樵黾託鍤夂亢篌w系中的放電強(qiáng)度增大，所以電子密度也隨之增大。

圖8 不同工況下電子密度Fig.8 The electron density under different operating conditions

3 結(jié) 論

在大氣壓條件下利用針-環(huán)式等離子體發(fā)生器對(duì)Ar/CH4混合氣進(jìn)行了電離，并對(duì)等離子體射流的光譜特性進(jìn)行了診斷與分析，結(jié)果如下：

(1)在大氣壓條件下，Ar/CH4等離子體射流中的主要活性粒子成分為CH基團(tuán)，CⅢ，CⅣ，C，CⅡ，ArⅠ和ArⅡ，其中含碳粒子的譜線分布在400～600 nm之間，ArⅠ和ArⅡ的譜線集中在680～800 nm之間。

(2)增大峰值電壓與Ar/CH4體積流量比均可有效促進(jìn)甲烷分子的脫氫，但這兩種工況對(duì)CH基團(tuán)含量的影響是不同的。隨峰值電壓的增大，CH基團(tuán)的含量呈增大趨勢(shì)，這說(shuō)明隨峰值電壓的逐漸增大，甲烷的脫氫電離程度增強(qiáng)；但當(dāng)體積流量比增大時(shí)，在潘寧離化效應(yīng)的作用下，Ar/CH4等離子體射流放電強(qiáng)度急劇增大，CH基團(tuán)中的C—H鍵會(huì)發(fā)生斷裂導(dǎo)致其含量減少。

(3)增大峰值電壓(6～11 kV)可使自由電子在保持平均自由程不變的情況下獲得更高的期望能量，從而提高電子激發(fā)溫度，同時(shí)可增強(qiáng)微放電通道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)，加劇微放電通道內(nèi)的粒子碰撞使電子密度增大。

(4)當(dāng)Ar/CH4體積流量比由120∶1增大到200∶1時(shí)可明顯增強(qiáng)Ar/CH4等離子體射流的放電強(qiáng)度，提高Ar/CH4等離子體射流的電子激發(fā)溫度及電子密度。