李永輝， 甘延標(biāo)， 董麗芳

(1. 北華航天工業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)部, 河北 廊坊 065000; 2. 河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 河北 保定 071002)

1 引 言

大氣壓射流等離子體具有化學(xué)活性高、溫度低等特點(diǎn)，并且可以將產(chǎn)生的等離子體直接噴射到空氣當(dāng)中，擺脫了放電電極結(jié)構(gòu)的限制，因此近年來受到廣泛關(guān)注。產(chǎn)生大氣壓射流等離子體的裝置很多，例如單針電極、針-板電極、針-筒電極、同軸電極等[1-3]。其中單針電極因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外加電場(chǎng)方向和氣流方向一致、更容易產(chǎn)生大尺度的等離子體而備受關(guān)注。另外單針電極的曲率比較大，可以在較低的電場(chǎng)下得到緩慢發(fā)展的電子崩，從而獲得高電子密度的等離子體。2007年，韓國(guó)的 Hong等利用空心針電極在介質(zhì)管內(nèi)得到了60 cm長(zhǎng)的射流等離子體，并且利用噴出的等離子體對(duì)老鼠組織進(jìn)行了處理[4]。2007年，Li在大氣壓氬氣中利用單針電極實(shí)現(xiàn)了輝光放電[5]，2009年，盧新培利用脈沖電源激勵(lì)的空心針電極在開放的空氣中得到射流等離子體[6]，2011年，李雪辰小組利用單針電極在大氣壓空氣中產(chǎn)生了均勻放電[7]。2016年，本小組利用單針電極在介質(zhì)管內(nèi)得到了上百厘米的射流等離子體[8]?？梢姡瑔吾橂姌O對(duì)于實(shí)現(xiàn)大尺度均勻放電具有一定的優(yōu)勢(shì)。一般認(rèn)為射流放電等離子體是以“等離子子彈”[9-10]的方式向前傳播，等離子子彈其實(shí)質(zhì)是放電通道內(nèi)電子崩頭部向前傳播所形成，因此射流等離子體的長(zhǎng)度主要是由電子崩頭部的能量決定。本工作利用光學(xué)方法研究了單針放電射流等離子體的傳播機(jī)制，發(fā)現(xiàn)放電通道內(nèi)的電子崩所形成的空間電荷不僅影響等離子體的長(zhǎng)度，而且影響著二次放電甚至三次放電的產(chǎn)生。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其主體為一根內(nèi)徑0.7 mm、外徑0.8 mm的空心針管，針管與交流高壓電源的輸出端連接，工作氣體為氬氣，從空心針管噴出參與放電。高壓電源能夠輸出交流電的頻率40～60 kHz(可調(diào))，輸出電壓幅值0～15 kV(可調(diào))。電源輸出電壓由高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)分壓后，連接示波器(Agilent,DSO6054A, 500 MHz)測(cè)量記錄，另外放電光信號(hào)由光電倍增管(PMT：濱松H7826)采集，通過示波器記錄存儲(chǔ)，放電發(fā)射光譜通過CCD光譜儀采集(ACTON SP2750)，連接電腦存儲(chǔ)記錄。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 等離子長(zhǎng)度與外加電壓的關(guān)系

影響等離子體長(zhǎng)度的因素很多，例如電極結(jié)構(gòu)、外加電壓、氣流等。本文主要研究了外加驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)等離子體長(zhǎng)度的影響。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高，放電通道內(nèi)電子崩頭的能量應(yīng)越高，等離子體的長(zhǎng)度也應(yīng)該越長(zhǎng)，但是實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，等離子體長(zhǎng)度與外加電壓并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。固定氣體流量為0.4 L/min(對(duì)于本裝置，該流速為層流狀態(tài))，外加電壓頻率固定為50 kHz，逐漸升高電壓，等離子長(zhǎng)度與外加電壓關(guān)系如圖2所示。電壓較低的情況下(8～9.3 kV)，放電只在針尖周圍發(fā)生，等離子體長(zhǎng)度約為1.75 cm。隨著電壓升高，等離子長(zhǎng)度略有增加。當(dāng)外加電壓升高到9.9 kV時(shí)，等離子體長(zhǎng)度迅速增加到約3.25 cm，隨著電壓繼續(xù)升高到10.4 kV,等離子體長(zhǎng)度逐漸增加到3.3 cm。但是當(dāng)電壓升高到10.6 kV時(shí)，等離子體長(zhǎng)度突然縮短。電壓繼續(xù)升高等離子體長(zhǎng)度又開始增加。但是升高電壓到11.4 kV之后，隨著電壓增加等離子體長(zhǎng)度逐漸變短?？梢姷入x子體長(zhǎng)度并不是單純地隨著電壓的升高而增加，在有些情況下，雖然外加電壓增加，但是等離子體的長(zhǎng)度反而變短了。

圖2 等離子體長(zhǎng)度與外加電壓幅值的關(guān)系

為了澄清在升高電壓的過程中等離子體長(zhǎng)度的變化機(jī)制，我們利用光電倍增管采集了不同電壓下的等離子體發(fā)光信號(hào)，如圖3所示。從圖中可見，當(dāng)電壓較低時(shí)(8～9.3 kV)，在外加電壓的正負(fù)半周各有一次放電，正半周放電光信號(hào)明顯，而且相鄰正半周信號(hào)長(zhǎng)短交替，為“倍周期”模式。當(dāng)電壓升高到9.9 kV，正半周放電脈沖數(shù)增加為兩個(gè)，而且第一個(gè)光信號(hào)強(qiáng)度增加，該電壓下我們觀察到等離子體長(zhǎng)度突然增加。當(dāng)電壓繼續(xù)升高到10.6 kV時(shí)，正半周第一個(gè)光信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，第二個(gè)光信號(hào)強(qiáng)度增加，此時(shí)我們觀察到的等離子長(zhǎng)度逐漸減小。隨著電壓繼續(xù)升高，第一個(gè)光信號(hào)強(qiáng)度增加，觀察到的等離子長(zhǎng)度也逐漸增加。電壓繼續(xù)升高到11.4 kV，從光信號(hào)可以看出，在正半周出現(xiàn)第三個(gè)放電脈沖，等離子長(zhǎng)度略有下降，隨電壓繼續(xù)升高，第三個(gè)脈沖光信號(hào)逐漸增加，我們觀察到的等離子長(zhǎng)度逐漸減小。綜上所述，等離子長(zhǎng)度與外加電壓不是單純的線性關(guān)系，等離子長(zhǎng)度與正半周放電脈沖數(shù)目有關(guān)，另外還與能量在放電脈沖之間的分配有關(guān)。

圖3 不同外加電壓下等離子體的發(fā)光信號(hào)，外加電壓頻率都為50 kHz。

3.2 等離子體光信號(hào)的空間分布

隨著電壓升高，在外加電壓的正半周會(huì)出現(xiàn)多個(gè)放電脈沖，脈沖之間相互作用，影響著等離子體的產(chǎn)生和向前發(fā)展機(jī)制。為了研究脈沖之間的相互作用，我們測(cè)量了等離子體通道內(nèi)不同位置的光信號(hào)。我們自制了一個(gè)圓柱形光闌，在筒的底部開一個(gè)1.5 mm寬的豎直狹縫，然后將光闌套裝在光電倍增管上。將發(fā)光等離子體利用凸透鏡成一個(gè)放大的實(shí)像，然后將光電倍增管擺放在實(shí)像所在平面的位置，移動(dòng)倍增管的位置，等離子體內(nèi)不同位置的光信號(hào)就可以進(jìn)入到倍增管當(dāng)中，經(jīng)過示波器記錄存儲(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)分析了正半周有兩個(gè)放電脈沖的情況，不同位置的光信號(hào)如圖4所示。從圖4中可以看出，負(fù)半周只有一個(gè)脈沖，負(fù)半周脈沖強(qiáng)度沿著等離子體軸向逐漸減弱，在3.0 cm、3.5 cm處，負(fù)半周脈沖消失。正半周放電包含有兩個(gè)脈沖，這兩個(gè)脈沖有明顯的區(qū)別。第一個(gè)脈沖在針尖位置產(chǎn)生，沿著等離子體軸向，脈沖強(qiáng)度逐漸增大，到達(dá)2.0 cm處，強(qiáng)度達(dá)到最大值，然后脈沖強(qiáng)度逐漸減小，在3.5 cm處，脈沖消失。第二個(gè)脈沖并不是在針尖處產(chǎn)生，而是在距離針尖1.5 cm處開始出現(xiàn)，沿著等離子體軸向，脈沖強(qiáng)度逐漸增大，到達(dá)3.0 cm處，強(qiáng)度達(dá)到最大值，然后減小?？梢娬胫艿诙€(gè)放電脈沖并不是從針尖電極處開始產(chǎn)生，而是在等離子體通道內(nèi)某個(gè)位置產(chǎn)生。

圖4 等離子體通道內(nèi)不同位置的光信號(hào)

3.3 電子激發(fā)溫度的空間分布

電子激發(fā)溫度是等離子體的一個(gè)重要物理參量。本實(shí)驗(yàn)中采集到的光譜主要為氮分子第二正帶譜線(300～400 nm)和氬原子譜線(600～800 nm)。我們利用氬原子763 nm和772 nm兩條譜線強(qiáng)度比計(jì)算了電子激發(fā)溫度，進(jìn)一步研究了電子激發(fā)溫度沿著等離子體軸向的空間分布。電子激發(fā)溫度的空間分布情況如圖5所示。在針尖位置電子激發(fā)溫度約1 900 K，沿著等離子體軸向，電子激發(fā)溫度逐漸升高，在等離子中部達(dá)到最高約2 500 K，然后電子激發(fā)溫度逐漸降低，在等離子體尾部達(dá)到最小約1 750 K。在本裝置放電中，負(fù)半周放電發(fā)光微弱，因此光譜儀采集的光譜主要反映的是正半周放電的情況。同理，我們得到的電子激發(fā)溫度反映的也是正半周放電的情況。電子激發(fā)溫度代表著電子能量的高低，在正半周放電中，電子能量在等離子體中部達(dá)到最大，而不是在針電極附近。

圖5 等離子體內(nèi)電子激發(fā)溫度的空間分布情況

在單針電極系統(tǒng)中，由于缺少了壁電荷的影響，電子激發(fā)溫度主要受到外加電場(chǎng)和空間電荷形成的附加電場(chǎng)的影響。在外加電壓的正半周，針電極為陽(yáng)極，隨著電壓升高，針尖附近的氣體被電離，電子向著陽(yáng)極移動(dòng)，最終被金屬的針電極吸收。正離子由于質(zhì)量大，移動(dòng)速度慢，在針電極附近就會(huì)積累形成正極性的空間電荷。在遠(yuǎn)離針電極的區(qū)域，此時(shí)外加電場(chǎng)的方向與空間電荷所形成附加電場(chǎng)的方向是一致的，所以可以促進(jìn)放電繼續(xù)向前發(fā)展，因此電子激發(fā)溫度也逐漸升高。但是隨著距離針電極的距離增大，外加電場(chǎng)會(huì)逐漸減小，最終外加電場(chǎng)和空間電荷附加電場(chǎng)形成的疊加場(chǎng)也會(huì)逐漸減小，因此電子激發(fā)溫度也會(huì)逐漸降低。隨著第一次放電的向前發(fā)展，空間就會(huì)積累正的空間電荷。在針電極和積累的空間電荷之間的區(qū)域，外加電場(chǎng)方向與空間電荷形成的附加電場(chǎng)的方向是相反的，因此在這個(gè)區(qū)域，凈電場(chǎng)會(huì)減小。在遠(yuǎn)離針電極的區(qū)域，外加電場(chǎng)和空間電荷形成的附加電場(chǎng)方向一致，隨著外加驅(qū)動(dòng)電壓的升高，在這個(gè)區(qū)域就可以形成二次放電，甚至三次放電。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究了單針射流等離子體的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)制，在射流等離子體發(fā)展過程中，空間電荷有著重要的作用，空間凈電場(chǎng)由外加電場(chǎng)和空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)共同決定。在靠近針電極的區(qū)域，空間電荷限制了放電的再次發(fā)生，而在遠(yuǎn)離針電極的區(qū)域，空間電荷促進(jìn)了二次放電甚至三次放電的產(chǎn)生。外加驅(qū)動(dòng)電源輸入能量在多次放電脈沖之間進(jìn)行分配，這也導(dǎo)致了等離子體的長(zhǎng)度并不是簡(jiǎn)單地隨外加電壓升高而增長(zhǎng)。由此可見，空間電荷對(duì)于等離子體的空間電場(chǎng)、電子激發(fā)溫度以及新的放電的產(chǎn)生有著重要的影響，通過研究改變空間電荷分布，對(duì)于實(shí)現(xiàn)大尺度等離子體有著重要的意義。