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        低溫等離子體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

        2013-12-01 01:54:22王合英陳國旭李和平張慧云包成玉
        物理實(shí)驗(yàn) 2013年3期
        關(guān)鍵詞:常壓等離子體介質(zhì)

        王合英,陳國旭,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,帶電粒子濃度超過一定數(shù)量時(shí),中性粒子的作用開始退居次要位置,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).雖然國內(nèi)一些高校已經(jīng)相繼開設(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開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,因而通過的電流也迅速增大.這一放電過程與湯生放電較為相似[4].圖3(b)給出了這一放電過程的功率-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看,其在正半周期的放電過程中所產(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)等離子體物理的過程中,對(duì)等離子體自身特性及其產(chǎn)生過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)量儀等測(cè)量儀器共同組成的等離子體物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可以開展各類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)的角度來講,教師可根據(jù)實(shí)際的教學(xué)需求設(shè)計(jì)不同類型和難度的實(shí)驗(yàn)題目,從不同的角度和深度上開展有關(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)的角度來講,學(xué)生不僅僅可以根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成既定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,而且還可以在教師的指導(dǎo)下通過查閱相關(guān)的資料開展創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究工作.目前,我們通過對(duì)前期已開展的實(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.

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