張玉坤，李 蘭，王廣宇，陳 夢(mèng)

（航天工程大學(xué) 激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101416）

0 引言

近年來(lái)，非平衡等離子體助燃技術(shù)在輔助點(diǎn)火、增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性等方面展現(xiàn)出極大潛力[1]。與平衡等離子體相比，非平衡等離子體的電子溫度較高，中性氣體溫度較低，在輔助燃燒上活性較強(qiáng)[2]。大面積均勻等離子體的產(chǎn)生是定量的研究非平衡等離子體助燃的基礎(chǔ)，也是非平衡等離子體技術(shù)推向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的前提[3]。

當(dāng)前，等離子體多采用氣體放電方法產(chǎn)生。傳統(tǒng)意義上的非平衡等離子體大多是低氣壓非平衡等離子體[4]。在氣壓較高的環(huán)境中，氣體分子間的平均自由程較短，質(zhì)量較大的粒子難以獲得足夠的加速，放電均勻性和穩(wěn)定性較低[5]，易發(fā)展為火花放電或電弧放電。

介質(zhì)阻擋放電（DBD）是有絕緣介質(zhì)置于放電空間的一種氣體放電[6]，能夠在較大的氣壓和頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體。常見(jiàn)的介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的電極形式主要包括平板型和同軸圓柱型，絕緣介質(zhì)的放置位置主要包括覆蓋在電極表面和懸掛在放電空間兩種類型[7]。大氣壓下，介質(zhì)阻擋放電的常見(jiàn)形式為絲狀流注放電，惰性氣體在一些特定的條件下可實(shí)現(xiàn)輝光形式[8]。通過(guò)研究惰性氣體的大氣壓輝光現(xiàn)象，有助于探究大面積均勻等離子體生成機(jī)理，為非平衡等離子體助燃實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用做基礎(chǔ)工作。

本文利用一種新型的針-管同軸圓柱型雙氣隙介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)，對(duì)氦氣進(jìn)行了氣體放電實(shí)驗(yàn)。獲得了放電演化過(guò)程圖像、電流電壓波形以及光譜信息，分析了氦氣的大氣壓輝光放電過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了一些有意義的現(xiàn)象和規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器、高頻高壓交流電源、電壓電流測(cè)量設(shè)備、光學(xué)測(cè)量設(shè)備和光譜儀五部分。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 介質(zhì)阻擋放電等離子體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)中使用的介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器為具有雙層放電氣隙的同軸圓柱型結(jié)構(gòu)，如圖2、圖3所示。反應(yīng)器主要由外電極、內(nèi)電極、絕緣介質(zhì)（石英玻璃管）組成。銅管與內(nèi)部的石英玻璃管構(gòu)成同軸管道，外電極（負(fù)極）為最外層銅管，內(nèi)電極（正極）為銅桿，放置于石英玻璃管內(nèi)同軸管中心處。石英管與銅針之間構(gòu)成第一層放電氣隙，石英管與銅管之間的間隙為第二層放電氣隙。銅管內(nèi)徑為D1=27mm；石英管外徑D2=22mm，內(nèi)徑D3=20mm，壁厚為1mm；銅桿直徑1.5mm，長(zhǎng)度為100mm。實(shí)驗(yàn)中氣流通過(guò)放電區(qū)域后被擊穿產(chǎn)生非平衡等離子體。介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器實(shí)物如圖4所示。

圖2 介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器側(cè)向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Side view of DBD reactor

圖3 介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器軸向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Dielectric view of DBD reactor

圖4 介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器實(shí)物圖Fig.4 Real DBD reactor

實(shí)驗(yàn)使用的高壓電源由南京蘇曼電子有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為：CTP-2000K，電源的頻率范圍為：1kHz～100kHz，頻率可調(diào)范圍30%，輸出電壓0～30kV。放電外加電壓和電流通過(guò)高壓探頭和電流互感器測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中高壓探頭由美國(guó)Tektronix公司生產(chǎn)，上升時(shí)間為14ns，帶寬75MHz，最大輸入電壓為DC20kV，單脈沖峰值40kV。采集到的電流和電壓信號(hào)由示波器存儲(chǔ)顯示，示波器是由美國(guó)Tektronix公司生產(chǎn)，具有四個(gè)可選通道，可對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集分析。該示波器的帶寬為500MHz，取樣頻率為5.0GS/s。放電圖像由數(shù)碼相機(jī)和高速相機(jī)記錄。實(shí)驗(yàn)使用了Vision Research公司的彩色高速相機(jī)Phantom V711，對(duì)放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)拍攝。本文使用了AvaSpec多通道光纖光譜儀，可在寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在過(guò)程控制中同時(shí)進(jìn)行多次測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中使用的光譜儀具有8個(gè)通道，可測(cè)量波長(zhǎng)范圍為197nm～1082nm，波長(zhǎng)分辨率為0.03nm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用前述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在大氣壓下對(duì)氦氣和氦/氧混合氣進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)高頻高壓交流電源，固定放電頻率在12kHz附近，調(diào)節(jié)變壓器改變施加在介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器上的電壓，使電壓由0開(kāi)始逐漸升高，利用高壓探頭測(cè)量?jī)呻姌O之間的電壓，利用電流互感器測(cè)量電流，并利用數(shù)字示波器記錄、保存其電流電壓波形。由數(shù)碼相機(jī)記錄放電直接圖像，由高速相機(jī)記錄放電演化過(guò)程及細(xì)節(jié)，利用光譜儀采集光譜信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，在同軸管的內(nèi)外兩個(gè)同軸管道內(nèi)均通入純度為99.999%的高純氦，體積流量均為4L/min。

2 結(jié)果與分析

氦氣的大氣壓同軸介質(zhì)阻擋放電圖像如圖5所示，圖中（a）～（d）施加電壓逐漸升高。

圖5 大氣壓氦氣介質(zhì)阻擋放電圖像Fig.5 Images of Helium atmospheric coaxial DBD

圖像顯示，氦氣在該結(jié)構(gòu)中發(fā)生放電，發(fā)出較為明亮紫色輝光，均勻覆蓋整個(gè)電極及石英介質(zhì)。在徑向由正極（管軸）到負(fù)極（管壁）具有明顯的分層現(xiàn)象。放電剛剛發(fā)生時(shí)，輝光集中出現(xiàn)在正極尖端，發(fā)光較為微弱，放電形態(tài)接近電暈放電。隨著電壓的增大，正極輝光強(qiáng)度增大，同時(shí)，負(fù)極和介質(zhì)表面出現(xiàn)暗淡的輝光層；隨著電壓繼續(xù)增大，正極、負(fù)極和介質(zhì)附近的發(fā)光層亮度和厚度不斷增大。整個(gè)電壓升高過(guò)程中，放電空間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)明暗相間的放電細(xì)絲，表明這種放電在空間上是均勻的。測(cè)得施加電壓和電流變化曲線如圖6所示。

圖6 大氣壓氦氣介質(zhì)阻擋放電電流電壓波形Fig.6 Atmospheric pressure helium DBD current voltage waveform

伏安特性曲線顯示，在一個(gè)放電周期內(nèi)，電壓首先按照正弦曲線的形式逐漸升高，當(dāng)升高到一定值時(shí)，電壓曲線存在一個(gè)明顯的斷崖式下降，與此同時(shí)電流波形出現(xiàn)一個(gè)較寬的脈沖，即在此時(shí)刻氣體發(fā)生了擊穿。在電流脈沖結(jié)束后，電壓繼續(xù)按照正弦曲線上升至最大值。在負(fù)半周期過(guò)程中無(wú)脈沖出現(xiàn)。在一定的外加電壓下，脈沖電流出現(xiàn)位置及其寬度、峰值是固定的，這表明介質(zhì)阻擋層之間的氣體在大面積的區(qū)域同時(shí)擊穿，該種放電形式的電壓電流波形符合典型的大氣壓介質(zhì)阻擋均勻放電特征。

電流電壓波形在正負(fù)半周期表現(xiàn)出的強(qiáng)非對(duì)稱性，與傳統(tǒng)的平板介質(zhì)阻擋輝光放電，以及單放電氣隙的同軸介質(zhì)阻擋放電都存在明顯不同。其原因可能與該種介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性有關(guān)。在該結(jié)構(gòu)中，外電極與石英玻璃介質(zhì)間隙為3.5mm，內(nèi)電極與石英玻璃介質(zhì)的間隙為9mm，使得放電氣隙的場(chǎng)強(qiáng)大小有較大不同，因此負(fù)半周期沒(méi)有脈沖電流出現(xiàn)。

為了更清晰的反應(yīng)放電特性，將電源頻率調(diào)整為10kHz，利用高速相機(jī)記錄了放電演化過(guò)程如圖7所示。高速相機(jī)像素設(shè)置為 400×400，曝光時(shí)間 31.89μs，拍攝頻率 31000fps。圖中（a）～（f）為連續(xù)記錄的 6 張圖像，時(shí)間間隔為32μs。圖8是從大量圖像中不連續(xù)的選取了放電過(guò)程的不同時(shí)刻圖像，更加詳細(xì)的反映了放電過(guò)程，高速相機(jī)像素設(shè)置為512×512，曝光時(shí)間39.65μs，拍攝頻率25000fps。

圖7 放電連續(xù)過(guò)程Fig.7 Continuous discharge process

由高速相機(jī)記錄的圖7和圖8可以觀察到放電由陽(yáng)極開(kāi)始并沿徑向擴(kuò)展過(guò)程。放電初始階段，在陽(yáng)極附近出現(xiàn)一個(gè)較弱的發(fā)光層，此時(shí)的放電現(xiàn)象符合電暈放電的特征；隨著放電發(fā)展，發(fā)光層的亮度在某一時(shí)刻達(dá)到峰值，隨即迅速向陰極移動(dòng)，并在陰極附近形成一個(gè)發(fā)光層，即負(fù)輝光層，如圖8（d）所示。這時(shí)氣隙從陰極到陽(yáng)極可分為如下幾個(gè)區(qū)域：負(fù)輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、等離子體正柱區(qū)、陽(yáng)極暗區(qū)，這種分層結(jié)構(gòu)基本符合低氣壓輝光放電特征。因此可將該種放電形式的演化過(guò)程概括為從電暈放電起始逐漸發(fā)展為輝光放電的過(guò)程。據(jù)此可以判斷大氣壓氦氣同軸介質(zhì)阻擋放電的放電形式為大氣壓輝光放電。

圖8 放電演化過(guò)程Fig.8 Discharge evolution process

進(jìn)一步利用光譜儀測(cè)量了混合氣的發(fā)射光譜。由于探頭只能從反應(yīng)器軸向進(jìn)行測(cè)量，放電發(fā)出的光相當(dāng)于一個(gè)閃爍光源，且亮度較低，探頭進(jìn)光量很小。因此必須延長(zhǎng)積分時(shí)間才能精確的檢測(cè)的特征譜線，實(shí)驗(yàn)中積分時(shí)間為5s。延長(zhǎng)積分時(shí)間也不可避免的使得背景光的譜線強(qiáng)度增大，因此將平均次數(shù)設(shè)置為20次，以減小誤差。

圖9為氦氣激發(fā)產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜圖，測(cè)得發(fā)射光譜的譜線主要集中在550～800nm范圍內(nèi)。通過(guò)分析得到實(shí)驗(yàn)中介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的發(fā)射光譜主要包括He（587.5nm、667.8nm、706.5nm），706.5nm 是整個(gè) He發(fā)射光譜中最強(qiáng)最穩(wěn)定的譜線。

圖9 He放電光譜Fig.9 He discharge spectrum

706.5nm 譜線是 He 原子由 He（33S1）階躍到 He（23P1）時(shí)發(fā)出的，He原子從基態(tài)直接激發(fā)到He（33S1）態(tài)需要22.72eV的能量，可通過(guò)電子直接碰撞或者反應(yīng)1產(chǎn)生：

其中 He2+由反應(yīng)（2）和（3）產(chǎn)生：

在低氣壓情況下，由于電子的能量較高，電子的直接碰撞起主要作用[9]。而在大氣壓氦氣中，反應(yīng)式（2）和（3）發(fā)生的頻率非常高，對(duì)He原子706.5nm譜線的產(chǎn)生起重要作用。

3 結(jié)論

本文利用雙氣隙同軸介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)對(duì)大氣壓下流動(dòng)的氦氣進(jìn)行了介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論：

（1）大氣壓下，氦氣在同軸介質(zhì)阻擋結(jié)構(gòu)中可實(shí)現(xiàn)均勻放電，其放電形式為輝光放電。氣體放電在電極表面大面積同時(shí)擊穿，放電空間內(nèi)無(wú)絲狀流注結(jié)構(gòu)。 由高速相機(jī)記錄圖像分析可知放電過(guò)程為由電暈放電開(kāi)始，逐漸向輝光放電演化過(guò)程。

（2）放電過(guò)程在正負(fù)半周期具有明顯的不對(duì)稱性，電流脈沖僅出現(xiàn)在放電的正半周期，該現(xiàn)象與介質(zhì)兩側(cè)氣隙寬度的不對(duì)稱性有關(guān)。

（3）光譜分析表明，706.5nm譜線是放電光譜中最強(qiáng)譜線，氦氣放電激發(fā)產(chǎn)生了高能亞穩(wěn)態(tài)He（33S1）。

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