大直徑射流的放電特性及其等離子體參數(shù)和活性粒子分布的光譜診斷

趙 娜, 吳凱玥, 陳俊宇, 賈鵬英, 李雪辰*

1. 河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002 2. 邯鄲學(xué)院數(shù)理學(xué)院，河北 邯鄲 056000

引 言

大氣壓等離子體射流(atmospheric pressure plasma jet, APPJ)產(chǎn)生的等離子體羽中富含多種活性粒子，如OH，O，O3和NO等。這些活性粒子在許多領(lǐng)域具有十分重要的作用，如廢水凈化[1]、 元素探測[2]、 材料處理等。在這些活性粒子中，氧原子是極其重要的，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生其他活性粒子(如O3，NO，NO2及OH等)。顯然，等離子體羽中氧原子時空特性是決定處理效率和處理質(zhì)量的關(guān)鍵因素。利用光譜法診斷氧原子濃度具有靈敏度高、 無干擾性等優(yōu)點(diǎn)。

Lu等利用單電極APPJ，以大氣壓氦氣作為工作氣體，在正弦激勵下產(chǎn)生了長11 cm的均勻等離子體羽[3]。Li等利用氬氣作為工作氣體，通過同軸介質(zhì)阻擋放電(DBD)引燃的方式，在直流電壓激勵下產(chǎn)生了長5 cm的均勻等離子體羽[4]。Benabbas等利用高壓脈沖電壓激勵DBD射流，產(chǎn)生了長度約為6 cm的均勻氬氣等離子體羽[5]。Qian等提出一種“單針預(yù)電離雙高壓”型大氣壓冷等離子體射流源，指出上游電暈放電預(yù)電離有助于在下游形成均勻等離子體羽[6]。上游等離子體羽不僅對下游等離子體羽的均勻性有影響，且會影響下游等離子體羽的流光動力學(xué)行為[7]。以上提及的等離子體羽雖然具有一定長度，但其直徑很小(只有毫米量級)。這樣細(xì)的等離子體羽會限制APPJ的工作效率，為了提高其工作效率及優(yōu)化處理效果，需要具有更大直徑的等離子體羽[8]。Liu等采用介質(zhì)厚度不均勻的DBD，以氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w產(chǎn)生了直徑約為3.5 mm的均勻等離子體羽[9]。由于氮?dú)獾膿舸╇妶鲚^高，因此利用這種射流很難產(chǎn)生更大直徑的等離子體羽。與氮?dú)?或空氣)相比，氬氣具有較低的擊穿電場，因此有望在較低電壓下得到較大直徑的等離子體羽。Wang等在近大氣壓條件下通過懸浮電極產(chǎn)生了直徑約20 mm的均勻等離子體羽[10]，但該射流需要真空設(shè)備。Castro等利用喇叭狀噴嘴產(chǎn)生了直徑約為10.5 mm的氬氣等離子體羽[11]，但該等離子體羽中含有大量放電絲，均勻性較差。

以氬氣為工作氣體，利用正弦交流電壓激勵A(yù)PPJ，在開放的空氣環(huán)境中產(chǎn)生了較大直徑(約14 mm)的均勻等離子體羽。對于該大直徑等離子體羽，采用發(fā)射光譜法對電子密度(ne)和氧原子濃度隨實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。放電裝置包括三個電極。其中，6 mm寬的銅箔做成環(huán)狀緊裹在石英管(圖1中Tube 1)的外壁距離管口10 mm的位置。石英管(內(nèi)徑11 mm，外徑14 mm)長度為12 cm，距其管口20 mm處放置有一個接地的平板電極。它由氧化銦錫(ITO)鍍膜玻璃片構(gòu)成，其中ITO膜朝向石英管口。在石英管內(nèi)放置有一個長16 cm(內(nèi)徑8.8 mm，外徑10 mm)的銅管(圖1中Tube 2)，銅管口距離銅環(huán)的上邊緣2 mm。純度為99.999% 的氬氣通過銅管進(jìn)入放電空間，氬氣流量(Q)由流量計(jì)(Sevenstar SC200A)控制。這三個電極中，銅環(huán)電極與正弦交流電源(Suman CTP-2000K)的高壓端相連，平板電極接地，而銅管電極對地懸浮。交流電源的頻率(f)固定為70 kHz。用高壓探頭(Tektronix P6015A)測量外加電壓。放電的發(fā)光信號通過透鏡聚焦后由光電倍增管(ET 9085SB)采集。利用示波器(Tektronix DPO4054)記錄放電的電壓和光信號波形。放電照片通過數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 5D)拍攝。放電的發(fā)射光譜由光譜儀(PIACTON SP2750)進(jìn)行采集。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 結(jié)果與討論

當(dāng)固定Q為5 L·min-1，逐漸增加外加電壓峰值(Vp)，放電先在銅環(huán)到銅管之間的區(qū)域(上游區(qū)域)出現(xiàn)。當(dāng)Vp增加到4.2 kV，除了上游的放電，在銅環(huán)電極的下游區(qū)域也出現(xiàn)了均勻等離子體羽，如圖2(a)所示。等離子體羽充滿了石英管口和地電極之間的區(qū)域，在管口處其直徑約為11 mm，沿X軸方向直徑略有縮減。增加Vp，等離子體羽發(fā)光亮度增加，等離子體羽的直徑略有增大，如Vp為7.6 kV時管口處等離子體羽的直徑約為14 mm[圖2(b)]。并且等離子體羽的邊緣變?yōu)樽仙@可能是由于環(huán)境氛圍的空氣擴(kuò)散進(jìn)入氬氣，使得邊緣處的工作氣體為氬氣和空氣的混合氣體。眾所周知N2(C3Πu-B3Πg)的發(fā)光為紫色，導(dǎo)致等離子體羽的邊緣是紫色的。當(dāng)固定Vp，增加氬氣流量時等離子體羽的亮度也增加，如圖2(c)所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，裸眼觀察到放電是均勻的，未發(fā)現(xiàn)放電絲。放電的均勻性要好于Castro等利用喇叭狀噴嘴產(chǎn)生的大直徑氬氣等離子體羽[11]。圖2(d)和(e)分別給出了對應(yīng)于圖2(c)的發(fā)光亮度沿X方向(Y=1 mm)和沿Y軸方向(等離子體羽軸線)的分布情況[X,Y軸已在圖2(a)中標(biāo)出]?？梢钥闯?，沿X軸方向，發(fā)光亮度除了在X=7 mm處亮度較小外，其他位置亮度變化不大。沿Y軸方向，當(dāng)Y<10 mm時，發(fā)光亮度幾乎不變，當(dāng)Y≥10 mm時，發(fā)光亮度逐漸減弱。圖2(a)和(b)中等離子體羽的發(fā)光亮度沿X軸和Y軸方向的變化趨勢與圖2(c)的類似。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下下游等離子體羽的照片[(a)，(b)，(c)](管1和平板電極均用虛線標(biāo)出，曝光時間為10 s)和放電亮度沿X軸(d)和Y軸(e)的分布圖

圖3給出了大直徑等離子體射流的外加電壓及上、 下游羽發(fā)光信號的波形。如圖3(a)所示，上下游光信號具有準(zhǔn)周期性。當(dāng)Vp較低時，上、 下游等離子體羽在每個電壓周期均有兩個光脈沖信號(Pu1和Pu2及Pd1和Pd2)，這些放電脈沖都出現(xiàn)在電壓的上升沿。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，上游等離子體羽的光信號強(qiáng)度比下游的大。隨著Vp的增加，放電脈沖出現(xiàn)的時刻提前，上下游等離子體羽的光信號強(qiáng)度都增大。當(dāng)Vp達(dá)到7.6 kV，放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓的下降沿，且Pu2和Pd2后又出現(xiàn)了新的放電脈沖(Pu3和Pd3)，如圖3(b)所示。因此，在高的峰值電壓下上、 下游等離子體羽在每個電壓周期都呈現(xiàn)三個放電脈沖。通過圖3還可以發(fā)現(xiàn)上游等離子體羽和下游羽的光脈沖在時間和數(shù)量上都是對應(yīng)的。這說明上游和下游的放電具有同步性，我們認(rèn)為這種同步性可能是由光致電離導(dǎo)致的。

圖3 (a)Vp= 4.2 kV和(b)Vp= 7.6 kV時外加電壓、 上游光信號和下游光信號的波形圖

對于等離子體參數(shù)的診斷，發(fā)射光譜法具有非接觸條件下的測量能力，可以在測量的同時不干擾等離子體內(nèi)部狀態(tài)，且靈敏度高。因此本工作利用譜線強(qiáng)度比研究上下游等離子體羽的電子密度，采用光化線強(qiáng)度法研究下游等離子體羽中氧原子濃度隨實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律。

圖4給出了Q=5 L·min-1和Vp=7.6 kV時上、 下游等離子體羽在300～800 nm范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。由圖4可以看出，從上游羽和下游羽的發(fā)射光譜中均可以觀察到OH(A2Σ+-X2Π)，N2(C3Πu-B3Πg)，ArⅠ(4p-4s)和OI(3p5P-3s5S躍遷)(777.4 nm)譜線。上游羽的發(fā)射光譜ArⅠ(4p-4s)強(qiáng)度比下游的大，但OH(A2Σ+-X2Π)和N2(C3Πu-B3Πg)強(qiáng)度比下游的小。這表明上游放電整體上強(qiáng)于下游放電，但在下游羽中由于空氣擴(kuò)散進(jìn)入，導(dǎo)致下游羽相對強(qiáng)的OH(A2Σ+-X2Π)和N2(C3Πu-B3Πg)發(fā)射。此外，上游和下游等離子體羽中紫外光譜的存在，說明放電會存在光致電離[12]，也就是說上游的放電可以通過光致電離為下游等離子體羽的產(chǎn)生提供種子電子，從而使得上游和下游的放電同步。

利用發(fā)射光譜中兩條Ar譜線的強(qiáng)度比(I750/I738或I738/I763)可以測量ne[13]。通常等離子體射流的ne在(1011～1014) cm-3量級。在這個范圍內(nèi)I750/I738隨ne變化更為敏感，所以我們選取I750/I738來研究大直徑等離子體羽的ne，結(jié)果如圖5所示(誤差棒表示各個數(shù)據(jù)點(diǎn)偶然誤差的平均值)?？梢?，上游等離子體羽的ne在1014cm-3量級，高于下游等離子體羽的ne((1013～1014) cm-3量級)，它們均隨Vp的增加而升高。相同Vp下Q越大，ne越高。該大直徑等離子體羽的ne隨Vp的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[14]氦氣射流中細(xì)等離子體羽的結(jié)果是類似的。

圖4 Vp=7.6 kV時上游(a)和下游(b)羽的發(fā)射光譜

圖5 上下游等離子體羽的電子密度隨Vp及Q的變化關(guān)系Fig.5 The electron density of upstream and downstreamplumes varies with Vp and Q

空氣是一種強(qiáng)烈的電負(fù)性氣體，放電中空氣中的氧分子及其產(chǎn)物(O，OH和O3等)會吸附電子，從而導(dǎo)致ne降低[15]。由于下游羽暴露在空氣環(huán)境中，相比上游，下游的等離子體羽會擴(kuò)散進(jìn)入大量的空氣。所以下游電子密度比上游的低。增大氣體流量，會縮短空氣的擴(kuò)散時間，所以氣體流量越大則工作氣體中的空氣含量會越低。因此，氣體流量越大ne越高。

光化線強(qiáng)度法表明，通過氧原子一條譜線的強(qiáng)度與氬原子的譜線強(qiáng)度之比，可以得出氧原子的相對濃度值[16]。我們利用氧原子777.4 nm譜線(3p5P-3s5S躍遷)與氬原子750.4 nm譜線(2p1-1s2躍遷)的強(qiáng)度比反映氧原子濃度。圖6(a)給出了Q=5 L·min-1和Vp=7.6 kV時下游等離子體羽中氧原子濃度的空間分布。通過圖6(a)可以看出，氧原子濃度沿著氣流方向是降低的。圖6(b)給出了距離管口1 mm處氧原子濃度隨實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律?？梢?，氧原子濃度隨Vp升高而增加，隨氣體流量增加而增加。圖6(a)和(b)中誤差棒表示各個數(shù)據(jù)點(diǎn)偶然誤差的平均值。

圖6 (a)氧原子濃度沿著氣流方向的變化；(b)氧原子濃度隨著實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化關(guān)系

氧原子的主要產(chǎn)生途徑為： e+O2→O-+O[17]可見氧原子濃度與等離子體的ne及氧分子密度有關(guān)。在下游的等離子體羽中，由于空氣的擴(kuò)散，沿著氣流(Y軸)方向氧分子密度增加。氧分子密度的增加，由于它吸附電子形成負(fù)離子，從而導(dǎo)致沿著Y軸方向ne降低。因此，使得氧原子的產(chǎn)生幾率減小，導(dǎo)致氧原子濃度降低。另一方面，氧分子密度增加會使得參與反應(yīng)的氧分子增多，因此氧原子的產(chǎn)生機(jī)會增多，這會導(dǎo)致氧原子濃度升高。對于我們產(chǎn)生的大直徑等離子體羽，可能是第一個方面的作用占主導(dǎo)，所以氧原子濃度主要由第一個方面的作用決定，即氧原子濃度沿Y軸減小[圖6(a)]。ne隨Vp或氣體流量的增加而增加，所以有更多的電子與氧分子碰撞產(chǎn)生氧原子，從而氧原子濃度隨著Vp或氣體流量的增加而增加[圖6(b)]。

3 結(jié) 論

采用氬氣作為工作氣體，利用交流電壓激勵大氣壓等離子體射流，產(chǎn)生了直徑約為14 mm的均勻等離子體羽。光電測量結(jié)果顯示，當(dāng)外加電壓峰值或氬氣流量增加時，等離子體羽發(fā)光亮度增加。上游放電和下游羽的發(fā)光信號具有同步性。從上下游等離子體羽300～800 nm范圍內(nèi)發(fā)射光譜中均可觀察到OH，N2，ArⅠ和OⅠ譜線。利用譜線強(qiáng)度比的方法對電子密度進(jìn)行了測量。結(jié)果表明上游等離子體羽的電子密度在1014cm-3的量級，高于下游等離子體羽的電子密度(1013～1014cm-3量級)。上游放電和下游羽的電子密度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。利用光化線強(qiáng)度比的方法對氧原子的濃度進(jìn)行測定，結(jié)果表明下游等離子體羽的氧原子濃度沿氣流方向減小，且氧原子濃度隨Vp升高或氣體流量的增加而增加。對于以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用氣體放電的基本理論進(jìn)行了定性解釋。