王合英，陳國(guó)旭，葛 楠，李和平，張慧云，包成玉

（1.清華大學(xué)a.物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心；b.工程物理系，北京100089；2.北京舒杰特科技有限責(zé)任公司，北京100089）

1 引 言

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)宏觀體系，它與固體、液體、氣體一樣，是物質(zhì)的一種聚集狀態(tài)，也稱為物質(zhì)的第四態(tài).常規(guī)意義上的等離子體是指當(dāng)中性氣體產(chǎn)生了相當(dāng)程度的電離，帶電粒子濃度超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，中性粒子的作用開(kāi)始退居次要位置，整個(gè)系統(tǒng)將受帶電粒子的運(yùn)動(dòng)所支配，從而表現(xiàn)出一系列不同于尋常流體的新性質(zhì).由于電離過(guò)程中正離子和電子總是成對(duì)出現(xiàn)，二者總數(shù)大致相等，所以等離子體呈現(xiàn)宏觀電中性［1-5］.

隨著等離子體科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體放電等離子體在焊接、切割、噴涂、微納米材料合成、空氣凈化、高危有害固體廢棄物處理、空間推進(jìn)、能量轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防安全等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［6-8］，有望形成支撐21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ).雖然國(guó)內(nèi)一些高校已經(jīng)相繼開(kāi)設(shè)了一些等離子體基礎(chǔ)理論的課程，然而目前有關(guān)氣體放電等離子體基本特性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)還比較薄弱［5］.根據(jù)清華大學(xué)工程物理系近幾年來(lái)開(kāi)展的等離子體觀摩實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成功經(jīng)驗(yàn)，清華大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心聯(lián)合北京舒杰特科技有限責(zé)任公司共同研制開(kāi)發(fā)了與高校等離子體物理課程相配套的常壓低溫等離子體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng).

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1）了解常壓低溫等離子體的概念以及其產(chǎn)生方式；

2）學(xué)習(xí)絕緣介質(zhì)層厚度以及電極間距對(duì)介質(zhì)阻擋放電的電特性的影響；

3）學(xué)習(xí)氣體流量及電源頻率對(duì)非熱電弧放電特性的影響；

4）了解表面介質(zhì)阻擋放電等離子體的產(chǎn)生，制作不同結(jié)構(gòu)的放電單元，測(cè)量其放電特性.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 SJ-I型常壓低溫等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及部分等離子體發(fā)生器組件照片

圖1為我們研發(fā)的SJ-I型常壓低溫等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及部分等離子體發(fā)生器組件照片.該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由電源及等離子體發(fā)生器組件構(gòu)成，采用積木式配件搭建法，無(wú)需真空系統(tǒng)和特殊氣體的配氣系統(tǒng)，放電現(xiàn)象直觀，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，可操作性強(qiáng).本文以SJ-I型常壓低溫等離子體實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上典型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器單元為例，結(jié)合數(shù)字示波器（Tektronix DPO4034）、高 壓 探 頭 （Tektronix P6015A）、電流探頭（Tektronix TCP202）以及光譜儀，對(duì)典型的大氣壓空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

2.3 介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖2給出了典型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器照片圖2（a）和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖2（b），其中電極的間距d為2.6mm，介質(zhì)層的厚度D 為1.4mm.

圖2 典型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器組建照片及其結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為相應(yīng)工況下空氣放電產(chǎn)生等離子體時(shí)的伏安特性曲線及功率-電壓曲線.實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，空氣被擊穿產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電等離子體的過(guò)程可分成3個(gè)區(qū)間［如圖3（a）所示］：在T0區(qū)間，在平行板發(fā)生器兩電極間外加的電壓很小，此時(shí)在金屬電極與絕緣層之間所形成的空氣間隙處，通過(guò)的電流很小且其變化亦較小.當(dāng)進(jìn)入T1區(qū)間時(shí)，隨著兩電極間外加電壓的逐漸增大，兩極板間的電流亦隨之逐漸增大.當(dāng)外加電壓達(dá)到某一值時(shí)空氣被擊穿放電產(chǎn)生等離子體，放電進(jìn)入第三階段（T2區(qū)間），此時(shí)由于間隙間的空氣放電產(chǎn)生等離子體使得發(fā)生器兩電極間的電導(dǎo)率迅速增大，因而通過(guò)的電流也迅速增大.這一放電過(guò)程與湯生放電較為相似［4］.圖3（b）給出了這一放電過(guò)程的功率-電壓曲線，從圖中可以看到放電消耗功率隨輸入電壓的增大逐漸增大，A點(diǎn)為空氣擊穿放電時(shí)所需放電功率.空氣擊穿放電產(chǎn)生等離子體后，維持放電所消耗的功率較大，這與放電后放電電流的變化趨勢(shì)是一致的.

圖3 大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體伏安特性曲線及功率-電壓曲線

圖4給出了空氣擊穿放電產(chǎn)生等離子體后持續(xù)放電時(shí)（B點(diǎn)）的放電電壓和放電電流波形圖.典型介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)可看成是由兩金屬電極及兩電極間的空氣介質(zhì)和固體絕緣介質(zhì)構(gòu)成.由于固體絕緣介質(zhì)層的介入，在足夠大的外加電壓下，空氣首先會(huì)被擊穿產(chǎn)生放電，從而在金屬電極與固體絕緣層間形成電流通道.從等離子體放電的電流波形圖來(lái)看，其在正半周期的放電過(guò)程中所產(chǎn)生的電流脈沖信號(hào)應(yīng)處于輸入電壓增大之時(shí)，這一過(guò)程與圖4所給出的放電電流波形圖相吻合；在負(fù)半周期相應(yīng)外加電壓變化區(qū)間有相同的放電現(xiàn)象發(fā)生［4］.

圖4 大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的放電電壓和放電電流波形圖

將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與光譜儀配合使用還可對(duì)氣體放電等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行測(cè)量分析.圖5給出了對(duì)應(yīng)于圖3所示B點(diǎn)處的等離子體發(fā)射光譜圖，圖5中右上角為對(duì)應(yīng)的等離子體放電圖像.從光譜儀所采集到的等離子體在300～400nm范圍內(nèi)的發(fā)射光譜圖可以看到，空氣放電時(shí)發(fā)射光譜中存在著OH，N2等化學(xué)活性粒子的譜線，其中OH譜線和N2譜線的確定是依據(jù)文獻(xiàn)［9-10］得到的.

圖5 等離子體發(fā)射光譜圖

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體會(huì)

在常壓低溫等離子體實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上開(kāi)展的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)等離子體物理的過(guò)程中，對(duì)等離子體自身特性及其產(chǎn)生過(guò)程有了更加直觀且深入的了解，為后期的深入學(xué)習(xí)打下了扎實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ).在SJ-I型常壓低溫等離子體實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上結(jié)合數(shù)字示波器、光譜儀、流速測(cè)量?jī)x等測(cè)量?jī)x器共同組成的等離子體物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以開(kāi)展各類(lèi)常壓或低壓條件下的低溫等離子體源的放電特性、光譜特性以及流動(dòng)特性的系列實(shí)驗(yàn)，可對(duì)等離子體的電特性、光譜特性以及流動(dòng)特性等進(jìn)行全方位的學(xué)習(xí).從教學(xué)的角度來(lái)講，教師可根據(jù)實(shí)際的教學(xué)需求設(shè)計(jì)不同類(lèi)型和難度的實(shí)驗(yàn)題目，從不同的角度和深度上開(kāi)展有關(guān)等離子體物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作；從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來(lái)講，學(xué)生不僅僅可以根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成既定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且還可以在教師的指導(dǎo)下通過(guò)查閱相關(guān)的資料開(kāi)展創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究工作.目前，我們通過(guò)對(duì)前期已開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)課程的總結(jié)和完善，已經(jīng)基本具備了全面地推廣該低溫等離子體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的條件.

目前，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成了與等離子體物理教學(xué)相配套的多種氣體放電等離子體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如表1所示.這為學(xué)生全面認(rèn)識(shí)氣體放電等離子體特性提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái).在這一平臺(tái)上通過(guò)學(xué)生實(shí)際的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)于不同條件下各種氣體放電過(guò)程以及氣體放電所產(chǎn)生的等離子體特性的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)等離子體科學(xué)與技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生的科研創(chuàng)新能力.

表1 等離子體物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)（SJ-PLASMA系列）

［1］陳熙.熱等離子體傳熱與流動(dòng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］李定，陳銀華，馬錦秀，等.等離子體物理學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］Bogaerts A，Neyts E，Gijbels R，et al.Gas discharge plasmas and their applications［J］.Spectrochimica Acta Part B，2002，57：609-658.

［4］徐學(xué)基，諸定昌.氣體放電物理［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1996.

［5］菅井秀郎.等離子體電子工程學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［6］張銳，劉鵬，詹如娟.大氣壓輝光放電研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景［J］.物理，2004，33（6）：430-434.

［7］Gad-el-Hak M.Flow control：passive，active，and reactive flow management［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2000.

［8］Moreau E.Airflow control by non-thermal plasma actuators［J］.J.Phys.D：Appl.Phys.，2007，40（3）：605-636.

［9］Moon S Y，Choe W.A comparative study of rotational temperatures using diatomic OH，O2and N2＋molecular spectra emitted from atmospheric plasmas［J］.Spectrochimica Acta Part B：Atomic Spectroscopy，2003，58（2）：249-257.

［10］Boudam M K，Moisan M，Saoudi B，et al.Bacterial spore inactivation by atmospheric-pressure plasmas in the presence or absence of UV photons as obtained with the same gas mixture ［J］.J.Phys.D：Appl.Phys.，2006，39（16）：3494-3507.