張 杰, 申亞軍, 郭 穎, 張 菁, 石建軍

(東華大學(xué)a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院 b. 理學(xué)院, 上海201620)

脈沖調(diào)制對(duì)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(xué)a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院 b. 理學(xué)院, 上海201620)

大氣壓射頻輝光放電的不穩(wěn)定性是限制其應(yīng)用的主要原因, 脈沖調(diào)制射頻技術(shù)有助于提高放電穩(wěn)定性.通過試驗(yàn)診斷放電電學(xué)特性，進(jìn)一步研究了大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電中脈沖調(diào)制參數(shù)對(duì)放電穩(wěn)定性的影響.當(dāng)固定調(diào)制脈沖頻率而降低占空比時(shí), 特別是當(dāng)射頻放電段工作在起輝階段時(shí),α放電模式的電壓和電流范圍都增加; 當(dāng)射頻頻率提高時(shí)也有助于增加射頻放電工作在α模式的電流范圍.在試驗(yàn)中固定電壓幅值, 研究射頻頻率在5、10 和15 MHz時(shí)α-γ放電模式轉(zhuǎn)變隨占空比的變化, 驗(yàn)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?dú)獾那闆r下獲得了脈沖調(diào)制射頻輝光放電穩(wěn)定工作在α模式.研究結(jié)果表明, 通過調(diào)制脈沖參數(shù)可以控制大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電的穩(wěn)定性.

射頻輝光放電; 脈沖調(diào)制; 放電穩(wěn)定性

大氣壓射頻輝光放電(RF APGDs)是產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體的放電形式之一[1-2], 相對(duì)于激發(fā)頻率在千赫茲范圍的大氣壓介質(zhì)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(yīng)用方面都體現(xiàn)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(chǎn)生的等離子體中氣體溫度高, 放電模式也易轉(zhuǎn)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(yīng)用前景.通過脈沖調(diào)制射頻輝光放電可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電特性的調(diào)控[9-10], 這為大氣壓射頻輝光放電等離子體的應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑.本文通過試驗(yàn)診斷放電電學(xué)特性，研究了脈沖調(diào)制大氣壓射頻輝光放電中的調(diào)制脈沖頻率和占空比，以及射頻頻率對(duì)射頻放電段的影響, 并表征了不同放電參數(shù)下射頻放電段的α-γ模式轉(zhuǎn)變特性, 研究表明，當(dāng)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(yàn)

在本文研究中, 放電在兩個(gè)尺寸相同的平行圓形銅電極間產(chǎn)生, 試驗(yàn)裝置示意圖與文獻(xiàn)[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(hào), 下電極接地, 電極裝置密封在有機(jī)玻璃盒內(nèi), 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(diào)制射頻信號(hào)通過函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(Tektronix AFG 3102型)產(chǎn)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(yàn)中放電的電學(xué)特性通過電壓探頭(Tektronix P5100型)和電流探頭(Pearson 2877型)測(cè)量, 并由數(shù)字示波器(Tektronix TDS 3034C型)采集記錄.

2 結(jié)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(dāng)占空比分別為8%、 16%和32%時(shí)，大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電電壓(實(shí)線)和電流(虛線)波形圖如圖1所示, 其中, 調(diào)制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz.從圖1(a)可以看出, 當(dāng)占空比為8%時(shí), 調(diào)制脈沖信號(hào)打開的時(shí)間僅能維持約3個(gè)完整的射頻周期.當(dāng)占空比為16%時(shí), 如圖1(b)所示, 調(diào)制脈沖信號(hào)打開期間約有5個(gè)完整的射頻周期, 射頻電壓的幅值隨放電周期逐漸增大.當(dāng)占空比為32%時(shí), 如圖1(c)所示, 調(diào)制脈沖信號(hào)打開期間約有10個(gè)完整的射頻周期, 其中前5個(gè)射頻周期中電壓幅值隨放電周期逐漸增大, 而后5個(gè)射頻周期內(nèi)電壓幅值保持穩(wěn)定, 維持在720 V直至射頻功率關(guān)閉.放電電流波形超前電壓波形一定的相位, 說明放電表現(xiàn)為容性特征[7-8].放電電流的幅值在開始階段也都表現(xiàn)出隨放電周期而增大, 這對(duì)應(yīng)于放電的起輝過程[10], 特別是在占空比為8%和16%時(shí), 如圖1(a)和1(b)所示, 放電電流幅值在達(dá)到穩(wěn)定前射頻功率已經(jīng)關(guān)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(diào)制脈沖不同占空比時(shí)的電壓(實(shí)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(diào)制大氣壓射頻輝光放電在不同射頻頻率時(shí)的電壓(實(shí)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(dāng)射頻頻率分別為5、 10和15 MHz時(shí)大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電電壓(實(shí)線)和電流(虛線)波形圖如圖2所示, 其中, 調(diào)制脈沖頻率為500 kHz, 占空比為16%, 因此, 脈沖信號(hào)打開的時(shí)間都為0.32 μs. 由圖2可知, 當(dāng)射頻頻率為5、 10和15 MHz時(shí)，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(shù)而增大, 并且在到達(dá)到穩(wěn)定之前射頻功率已關(guān)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(shù)目也會(huì)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(diào)制脈沖占空比時(shí)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(dāng)占空比分別為6%、 8%、 16%和32%時(shí)，脈沖調(diào)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(diào)制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz.每個(gè)占空比下電流、電壓關(guān)系曲線的第一個(gè)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)于射頻放電段產(chǎn)生和放電轉(zhuǎn)變?yōu)棣聊Ｊ綍r(shí)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(zhuǎn)變的電壓和電流峰值, 當(dāng)占空比為6%、 8%、 16%和32%時(shí), 放電模式轉(zhuǎn)變電壓峰值分別為1 140、 1 060、 980和800 V, 放電模式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變電壓和轉(zhuǎn)變電流都單調(diào)下降, 說明在脈沖調(diào)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(qiáng)度下可以獲得穩(wěn)定的α模式放電.結(jié)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(dāng)射頻頻率分別為5、 10和15 MHz時(shí)，大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電的電流電壓特性曲線如圖4所示, 其中, 調(diào)制脈沖頻率為500 kHz, 占空比為16%.每個(gè)射頻頻率下電流電壓關(guān)系曲線的第一個(gè)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)于射頻放電段產(chǎn)生和放電轉(zhuǎn)變?yōu)棣媚Ｊ綍r(shí)的電壓和電流峰值.

圖4 不同射頻頻率時(shí)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(dāng)射頻頻率為5、 10和15 MHz時(shí), 放電模式轉(zhuǎn)變電壓峰值分別為1 140、 1 040和980 V, 放電模式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變電壓?jiǎn)握{(diào)下降, 而放電模式轉(zhuǎn)變電流單調(diào)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(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果一致[11-12], 主要是由于射頻頻率的提高會(huì)增強(qiáng)對(duì)放電空間電子的限制效應(yīng)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(dāng)射頻頻率分別為5、 10和15 MHz時(shí)，大氣壓脈沖調(diào)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(diào)制脈沖頻率為500 kHz.

(a) 5 MHz

(b) 10 MHz

(c) 15 MHz圖5 脈沖調(diào)制大氣壓射頻輝光放電在不同射頻頻率時(shí)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(dāng)射頻頻率為5 MHz時(shí), 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(dāng)占空比增加到82%時(shí), 電壓快速下降到385 V, 而電流繼續(xù)增加到71 mA, 放電表現(xiàn)為負(fù)阻抗特性, 這是射頻放電從α模式轉(zhuǎn)變到γ模式的典型特征[8, 12]. 當(dāng)射頻頻率為10 MHz時(shí), 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(dāng)占空比增加到42%時(shí), 放電從α模式轉(zhuǎn)變到γ模式, 電壓突降到445 V. 當(dāng)射頻頻率為15 MHz時(shí), 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(dāng)占空比增加到28%時(shí), 放電從α模式轉(zhuǎn)變到γ模式, 電壓突降到547 V.比較5、 10和15 MHz 3個(gè)頻率下發(fā)生放電模式轉(zhuǎn)變時(shí)的占空比分別為72%、 36%和26%, 而對(duì)應(yīng)的放電電流峰值分別為58、 112和282 mA.由此可見, 當(dāng)射頻頻率較高時(shí), 在更小的占空比和更大的放電強(qiáng)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(diào)制脈沖頻率一定的情況下, 調(diào)制脈沖占空比和射頻頻率共同決定了射頻放電段內(nèi)的射頻周期數(shù), 其也決定了射頻放電是否工作在放電起輝階段.

當(dāng)占空比分別為8%、 16%和32%時(shí)的大氣壓脈沖調(diào)制射頻輝光放電中電流峰值的變化如圖6所示, 其中, 調(diào)制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz, 對(duì)應(yīng)于圖1中的電流波形.

圖6 不同占空比時(shí)大氣壓脈沖調(diào)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(dāng)占空比為8%時(shí), 放電的電流峰數(shù)目較少, 電流峰值也隨電流峰數(shù)目迅速增大. 當(dāng)占空比為16%時(shí), 電流峰值先隨電流峰數(shù)目增大, 隨著電流峰數(shù)到達(dá)7, 對(duì)應(yīng)的電流峰值為100 mA, 電流峰數(shù)目繼續(xù)增大到8和9時(shí), 對(duì)應(yīng)的電流峰值為99和98 mA, 基本不變, 峰值電流隨電流峰數(shù)先增大后穩(wěn)定, 說明射頻放電段經(jīng)歷完整的放電起輝過程. 當(dāng)占空比為32%時(shí), 總體趨勢(shì)和占空比為16%時(shí)相類似, 電流峰值隨電流峰數(shù)目先增大后穩(wěn)定, 電流峰數(shù)到達(dá)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(shí)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(yīng)用中, 摻入不同反應(yīng)性氣體是提高等離子體處理效果和效率的關(guān)鍵, 這里以氮?dú)鉃榇硇苑磻?yīng)性氣體, 研究其摻入氦氣中后對(duì)放電穩(wěn)定性的影響.當(dāng)不同比例氮?dú)鈸饺霑r(shí)的大氣壓脈沖調(diào)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(diào)制脈沖頻率為500 kHz, 射頻頻率為15 MHz.在氦氣放電中摻入氮?dú)鈺?huì)使放電的穩(wěn)定性變差, 尤其是氮?dú)饬髁枯^大時(shí), 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?jǐn)?shù)氮?dú)鈸饺霑r(shí)大氣壓脈沖調(diào)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?dú)獾那闆r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(zhuǎn)變, 圖中曲線的最后一個(gè)點(diǎn)是在γ放電模式下的電壓和電流峰值.可以看到, 當(dāng)摻入的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)分別為0%、 0.5%、 1.0%和1.5%時(shí), 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(dāng)采用較小的占空比時(shí), 射頻放電段可以在摻入更多氮?dú)獾那闆r下維持放電穩(wěn)定性, 同時(shí)放電維持所需的電壓峰值也更高.由圖7(b)可知, 當(dāng)摻入的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)分別為0%、 0.5%、 1.0%和1.5%時(shí), 放電工作在α模式下的最大占空比與圖7(a)中對(duì)應(yīng), 其電流峰值分別為182、 178、 180和190 mA.說明當(dāng)采用較小的占空比時(shí), 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(jié) 語(yǔ)

大氣壓氦氣脈沖調(diào)制射頻輝光放電中, 當(dāng)調(diào)制頻率為500 kHz時(shí), 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(huì)增大, 說明放電的穩(wěn)定性增強(qiáng), 這主要是由于通過脈沖調(diào)制限制射頻放電段工作在放電起輝階段.通過脈沖調(diào)制射頻放電技術(shù), 當(dāng)氦氣中摻入氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時(shí), 可以通過減小占空比來維持放電的穩(wěn)定性.

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11475043, 11375042)

張 杰(1986—)，男，上海人，博士研究生，研究方向?yàn)榈蜏氐入x子體物理. E-mail: zhangjdhu2007@sina.com 石建軍(聯(lián)系人)，男，教授, E-mail: JShi@dhu.edu.cn

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