張?jiān)苿?劉黃韜 高強(qiáng) 朱志峰 李博 王永達(dá)

1) (燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院, 秦皇島 066004)

2) (天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

SF6 作為氣體絕緣介質(zhì)廣泛應(yīng)用于氣體絕緣設(shè)備中, 其電弧等離子體得到廣泛研究, 但對(duì)SF6 電弧等離子體時(shí)間分辨光譜特性的研究還未見(jiàn)報(bào)道. 本文在SF6 環(huán)境中利用飛秒激光自聚焦產(chǎn)生的光絲引導(dǎo)高壓放電, 誘導(dǎo)產(chǎn)生SF6 等離子體; 利用光譜系統(tǒng)采集300—820 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的SF6 等離子體光譜, 對(duì)光譜譜線(xiàn)開(kāi)展了識(shí)別和歸屬研究, S 和F 譜線(xiàn)主要分布在300—550 nm 和600—800 nm 波段, 分析認(rèn)為S 和F 原子主要由SF6 被高能電子碰撞直接或間接產(chǎn)生, S 離子由S 原子被高能電子撞擊產(chǎn)生. 給出了SF6 等離子體的時(shí)間分辨光譜, 等離子體光譜強(qiáng)度先增大后減弱, 均由帶狀光譜和分立光譜疊加而成, 帶狀光譜主要是由軔致輻射和復(fù)合輻射共同作用導(dǎo)致, 基于時(shí)間分辨光譜得到了部分S 和F 的熒光壽命. 給出了電子溫度和電子密度隨時(shí)間的演化規(guī)律, 二者演化規(guī)律基本相同, 且都隨延遲時(shí)間呈指數(shù)衰減. 最后, 利用Mc Whirter 準(zhǔn)則得到SF6 等離子體處于局部熱平衡. 研究結(jié)果對(duì)于開(kāi)展SF6 分解機(jī)理和高壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究具有重要意義.

1 引 言

SF6氣體具有良好的絕緣和滅弧性能, 其作為絕緣介質(zhì)廣泛應(yīng)用于氣體絕緣設(shè)備中. 國(guó)內(nèi)外大量研究表明, 當(dāng)氣體絕緣設(shè)備由于內(nèi)部絕緣缺陷發(fā)生放電時(shí), SF6會(huì)發(fā)生分解, 分解產(chǎn)生的低氟硫化物會(huì)與設(shè)備內(nèi)的微量水和氧氣反應(yīng)生成具有毒性和腐蝕性的副產(chǎn)物, 這些副產(chǎn)物會(huì)加速設(shè)備絕緣劣化, 嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行, 甚至危害現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全[1,2]. 因此, 有必要開(kāi)展SF6放電分解特性的研究, 研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展SF6分解機(jī)理和高壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究具有重要意義.

目前, 國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)SF6放電分解的研究主要集中在宏觀(guān)和微觀(guān)兩個(gè)方面. 宏觀(guān)上, 國(guó)內(nèi)外研究主要是利用色譜和質(zhì)譜等檢測(cè)方法測(cè)量SF6最終反應(yīng)產(chǎn)物以反推SF6放電分解機(jī)理.Tang 等[3,4]建立四種人工缺陷模型以模擬氣體絕緣設(shè)備不同局部放電(PD)情況, 并提出利用分解物特征濃度比識(shí)別不同PD, 研究了微量H2O和O2對(duì)特征濃度比的影響; Zeng 等[5]利用缺陷模型研究了PD 下O2對(duì)SF6分解的影響; Liu 等[6]利用針板模型和氣相色譜法定量測(cè)定了SF6分解的特征成分, 并研究了SF6在不同氣體壓力和電壓水平下的PD 分解特性和分解機(jī)理. 微觀(guān)上, 國(guó)內(nèi)外研究主要集中在建立SF6等離子體模型以研究SF6等離子體組分及其分解機(jī)理. Swarbrick[7]首先研究了SF6電弧等離子體的組成, 同時(shí)計(jì)算得到電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率; Gleizes 等[8]和Girard 等[9]幾乎同一時(shí)間提出兩溫(2T)動(dòng)力學(xué)模型用以計(jì)算SF6等離子體的組成, 同時(shí)Gleizes 等進(jìn)一步提出利用2T 等離子體組成計(jì)算SF6等離子體的熱力學(xué)參數(shù);由于溫度模型在重離子較低的溫度區(qū)域具有局限性, Rat 等[10]提出偽平衡模型, 并驗(yàn)證了模型在SF6氣體中的應(yīng)用; 由于氣體絕緣設(shè)備內(nèi)存在部分雜質(zhì)(如氧氣、水和有機(jī)絕緣子), Coll 等[11]建立化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型以研究設(shè)備內(nèi)雜質(zhì)對(duì)SF6主要穩(wěn)定氣態(tài)分解產(chǎn)物(如SOF4和SO2F2等)形成的影響;Van Brunt 等[12,13]針對(duì)金屬突出物缺陷, 在負(fù)極性直流條件下提出區(qū)域等離子體化學(xué)模型, 并分區(qū)域闡述了SF6在PD 下的分解機(jī)理、分解過(guò)程和分解產(chǎn)物等; 近兩年, Gao 等[14,15]在交流電暈放電下建立SF6放電分解的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型, 并分析分解產(chǎn)物的化學(xué)過(guò)程和生成機(jī)理, 借助模型定量分析了不同水分和氧氣含量下的主要放電分解機(jī)理, 同時(shí)通過(guò)計(jì)算所有SF6放電分解反應(yīng)的貢獻(xiàn)量獲得了主要放電分解反應(yīng)以及H2O 和O2對(duì)主要反應(yīng)過(guò)程的影響.

此外, 研究人員對(duì)SF6放電分解的光譜特性進(jìn)行了部分研究. Vacquie 等[16]介紹了幾種研究SF6電弧等離子體電子密度的方法. 在國(guó)內(nèi), 徐建源和王其平[17]最早開(kāi)展SF6等離子體光譜特性的研究, 并給出了部分SF6等離子體光譜診斷常用的譜線(xiàn)和譜線(xiàn)參數(shù); 近幾年, 林莘等[18]搭建SF6放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 采用Stark 展寬法和光強(qiáng)比值法對(duì)獲得的光譜分析并得到電子溫度和電子密度, 同時(shí)研究了氣體壓強(qiáng)對(duì)電子溫度和電子密度的影響; 李學(xué)斌等[19]利用發(fā)射光譜法對(duì)SF6/N2混合氣體的光譜特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 并研究了不同極板間距和氣體壓強(qiáng)對(duì)電子密度和電子溫度的影響; 庚振新等[20]修正了Saha 和Guldberg-Wagge 方程并得到了0.1—0.6 MPa 壓強(qiáng)下的電子溫度和電子數(shù)密度等參數(shù),同時(shí)利用SF6實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了模型結(jié)果的準(zhǔn)確性. 然而, 由于儀器設(shè)備等條件的限制,雖然此前對(duì)SF6放電分解特性開(kāi)展了大量研究, 但對(duì)SF6電弧等離子體的時(shí)間分辨特性方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道. 研究等離子體特性的一種重要手段是對(duì)光譜進(jìn)行分析, 通過(guò)對(duì)光譜的分析, 既可以得到等離子體的溫度和密度信息, 還可以獲得各種離子的產(chǎn)生和消失等隨時(shí)間變化的信息[21].

近年來(lái), 飛秒激光和納秒激光引導(dǎo)放電得到廣泛關(guān)注, 使用納秒激光引導(dǎo)放電可以以1 ns 的抖動(dòng)時(shí)間獲得出色的開(kāi)關(guān)脈沖時(shí)間穩(wěn)定性, 通過(guò)使用飛秒激光引導(dǎo)放電可以在皮秒內(nèi)獲得更好的時(shí)間穩(wěn)定性, 并且沿著飛秒激光自聚焦產(chǎn)生的絲狀等離子體通道嚴(yán)格限定放電路徑, 實(shí)現(xiàn)放電在時(shí)間和空間上可控. 此外, 通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)SF6等離子體時(shí)間分辨光譜觀(guān)測(cè)時(shí)間約為1.5 μs, 時(shí)間很短,不便利用納秒激光引導(dǎo)放電開(kāi)展SF6等離子體時(shí)間分辨光譜的研究工作. 因此, 本文利用飛秒激光引導(dǎo)高壓放電具有對(duì)放電在時(shí)間和空間上可控的特性, 通過(guò)具有納秒時(shí)間分辨功能的PI-MAXIII 型ICCD 獲得激光光絲處等離子體的空間和時(shí)間分辨光譜, 進(jìn)而研究等離子體發(fā)射光譜特性. 研究了飛秒激光在SF6環(huán)境中引導(dǎo)高壓放電產(chǎn)生等離子體光譜隨時(shí)間演化的特性, 給出了部分分解物的熒光壽命以及SF6電弧等離子體電子溫度和電子密度隨時(shí)間的演化規(guī)律.

2 實(shí)驗(yàn)部分

在絕緣介質(zhì)SF6中飛秒激光引導(dǎo)高壓放電的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 包括噴管、飛秒激光、高壓放電系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng). 噴管是直徑為2.5 mm的玻璃管, SF6經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)控制從噴管?chē)姵?流速為3 m/s. 激光源是飛秒Ti:sapphire 激光器(Spectra-Physics, Spitfire Ace), 輸出波長(zhǎng)800 nm,脈沖持續(xù)時(shí)間為45 fs, 重復(fù)頻率為10 Hz, 最大脈沖能量為9 mJ, 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)衰減器控制脈沖能量為7 mJ. 激光經(jīng)棱鏡傳導(dǎo)和透鏡(f= 300 mm)聚焦后產(chǎn)生光絲, 穿過(guò)SF6氣體.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup.

高壓放電系統(tǒng)由直流納秒脈沖高壓電源(HVPP20, Xi’an Smart Maple Electronic Technology Co., Ltd.)、可調(diào)限流電阻(最大值為5 k W)和一對(duì)高壓電極組成. 高壓電源電壓為12 kV, 頻率為10 Hz, 上升沿和下降沿為50 ns. 電極對(duì)與電源正極和接地端相連, 間距為8 mm, 插圖是由單鏡頭反光(SLR)照相機(jī)(D90, Nikon)拍攝的噴管、激光光絲和高壓電極的空間位置關(guān)系圖, 高壓電極靠近光絲附近引導(dǎo)放電, 光絲位于噴管正上方2 mm,同時(shí)串接可調(diào)限流電阻控制放電能量.

檢測(cè)系統(tǒng)中, 高壓探頭和電流探頭(CT-1,Tektronix)記錄高壓電源輸出的電壓和電流變化特性, 同時(shí)記錄在600 MHz 示波器中. 配有球面透鏡(f為100 mm)的光譜儀(Acton 2300i, Princeton Instrument)收集SF6等離子體光譜特征, 測(cè)量時(shí), 調(diào)整光譜儀位置使光譜儀狹縫(狹縫寬度為200 μm)與光絲平行, 獲得SF6等離子體光譜. 光柵分散的信號(hào)由增強(qiáng)型電荷耦合器件(ICCD, PIMAX3:1024i, Princeton Instruments)在出口處捕獲. 在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前, 采用標(biāo)準(zhǔn)汞燈對(duì)光譜儀測(cè)量的波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn), 采用標(biāo)準(zhǔn)鹵素光源積分球(PP-02097-000, Labsphere)對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn).

3 結(jié)果與討論

3.1 飛秒激光引導(dǎo)高壓放電下的SF6 等離子體光譜分析

圖2 給出了純SF6(濃度為99.999%)在飛秒激光引導(dǎo)放電下的等離子體在300—820 nm 波段光譜圖, 相機(jī)曝光時(shí)間為100 μs, 增益為50, 讀寫(xiě)延遲為0 ns (相對(duì)于激光信號(hào), 3130 ns 時(shí)激光信號(hào)出現(xiàn), 3230 ns 時(shí)觸發(fā)高壓電源, 下同). 根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)(Atomic Spectra Database Line Data)對(duì)觀(guān)測(cè)到的SF6等離子體光譜進(jìn)行識(shí)別和歸屬, 插圖顯示了340—420 nm 波長(zhǎng)段S 的譜線(xiàn)信息, 該波段主要是S 的諸多離子譜線(xiàn). 特別是, 本實(shí)驗(yàn)成功觀(guān)測(cè)到文獻(xiàn)[22]所述的較難觀(guān)測(cè)到的氟(光譜范圍638—691 nm)和硫(光譜范圍520—550 nm)的發(fā)射線(xiàn), 其中Fe 的發(fā)射線(xiàn)是由電極材料產(chǎn)生的, 不同原子和離子譜線(xiàn)已在圖中用不同顏色標(biāo)注. 從圖2 可觀(guān)測(cè)到譜圖中存在大量S 和F 的原子和離子譜線(xiàn), 且S 離子主要分布在300—550 nm 的可見(jiàn)光波段, F 原子主要分布在600—820 nm 波段的紅外光譜區(qū)域, 觀(guān)測(cè)結(jié)果表明SF6在放電情況下發(fā)生了分解, 并生成了大量的S 和F 的原子和離子. 主要分解過(guò)程如下:

圖2 飛秒激光引導(dǎo)高壓放電下的SF6 等離子體光譜圖Fig. 2. SF6 plasma spectrum under femtosecond laser-guided high-voltage discharge.

1) SF6氣體分子首先受到高能電場(chǎng)產(chǎn)生的高能電子的撞擊而發(fā)生分解產(chǎn)生部分F 原子和低氟硫化物( S Fx, x<6 ), 即

2)產(chǎn)生的SFx會(huì)被高能電子撞擊分解產(chǎn)生S和F 原子, 即

3)產(chǎn)生的S 原子被高能電子撞擊會(huì)進(jìn)一步生成S 離子, 即圖2 中300—550 nm 的S 元素的波段, 其過(guò)程為

為研究SF6等離子體的時(shí)間演化特性, 對(duì)F 原子存在較密集的600—800 nm 波段的時(shí)間分辨光譜進(jìn)行測(cè)量, 如圖3 所示, 已去除背景噪聲,相機(jī)曝光時(shí)間為100 ns, 增益為50. 從圖3 可以看出, 激光信號(hào)到達(dá)后, 并未立即引導(dǎo)放電產(chǎn)生光譜,400 ns 后, 即3530 ns 時(shí)出現(xiàn)SF6等離子體光譜,500 ns 后譜線(xiàn)強(qiáng)度達(dá)到最大, 此后逐漸減弱并消失, 即光譜強(qiáng)度隨時(shí)間先增大后減小, 等離子體存在時(shí)間約為1.3 μs.

從圖2 可以看出, 除S 和F 的分立譜線(xiàn)外, 譜圖中存在較為強(qiáng)烈的連續(xù)譜. 圖3 中, 在等離子體形成初期, 譜圖中也存在較為強(qiáng)烈的連續(xù)譜, 大約300 ns 后連續(xù)譜的強(qiáng)度才逐漸減弱. 一般情況下,等離子體連續(xù)譜被認(rèn)為是由軔致輻射和復(fù)合輻射共同作用導(dǎo)致的.

軔致輻射主要是SF6分解產(chǎn)生的等離子體中的高溫自由電子與含S 或F 的粒子碰撞產(chǎn)生的自由態(tài)-自由態(tài)的躍遷而導(dǎo)致的溫度降低和能量損失發(fā)出光子的過(guò)程, 即

式中, e(HT)為高溫自由電子,M為被碰撞的SF6分解產(chǎn)生的含S 或F 粒子, e(LT)是低溫自由電子,h為普朗克常數(shù),v為輻射頻率.

復(fù)合輻射主要是自由電子與離子碰撞時(shí)被離子俘獲變成束縛態(tài)電子后將多余的能量以光子的形式釋放出來(lái)的過(guò)程. 在SF6等離子體中, SF6氣體分子解離后產(chǎn)生的S 離子與自由電子復(fù)合的過(guò)程, 即

此外, SF6氣體分子解離后產(chǎn)生的 S Fx與F 原子的直接復(fù)合輻射過(guò)程也會(huì)對(duì)連續(xù)譜產(chǎn)生影響, 即

同時(shí), SF6分解產(chǎn)生的等離子體中的S 原子以及SF 分子等組分的復(fù)合過(guò)程也會(huì)對(duì)連續(xù)譜產(chǎn)生一定的影響[20], 即

圖3 SF6 等離子體時(shí)間分辨光譜Fig. 3. SF6 plasma time-resolved spectroscopy.

理論分析表明, 對(duì)于能量為En的分子離子復(fù)合過(guò)程, 其輻射功率可表示為

式中,Ne為電子密度,Te為電子溫度,Ni為等離子體中自由離子的密度,k為玻爾茲曼常數(shù),Z為離子的電荷數(shù),f為復(fù)合輻射光的頻率,n為復(fù)合原子的能級(jí)主量子數(shù),En為相應(yīng)能級(jí)的能量. (9)式表明, 輻射功率與電子溫度和電子密度等參數(shù)存在緊密聯(lián)系.

圖4 SF6電弧等離子體時(shí)間衰減壽命曲線(xiàn) (a) S III 409.91 nm; (b) F I 685.60 nmFig. 4. Time decay life curves of SF6 plasma: (a) S III 409.91 nm; (b) F I 685.60 nm.

圖4 為飛秒激光引導(dǎo)高壓放電的SF6等離子體S III 409.91 nm 和F I 685.60 nm 的時(shí)間衰減壽命曲線(xiàn), 采用單指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,擬合函數(shù)為式中,I(t) 和I0分別為t和0 時(shí)刻的譜線(xiàn)強(qiáng)度,A為擬合參數(shù),τ為熒光壽命,t為熒光衰減時(shí)間. 經(jīng)擬合, 得到S 離子在409.91 nm 處的壽命為57 ns,F 原子在685.60 nm 處的壽命為341 ns. SF6放電分解過(guò)程還存在著更為復(fù)雜的過(guò)程, 有待于進(jìn)一步研究.

3.2 飛秒激光引導(dǎo)高壓放電下的SF6 等離子體參數(shù)分析

電子溫度和電子密度作為描述等離子體狀態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù), 對(duì)于SF6等離子體的研究具有重要意義.

3.2.1 等離子體電子溫度隨時(shí)間的演化過(guò)程

電弧等離子體多處于局部熱力學(xué)平衡[23], 因此認(rèn)為飛秒激光引導(dǎo)高壓放電產(chǎn)生的SF6等離子體滿(mǎn)足局部熱力學(xué)平衡, SF6等離子體電子溫度可利用玻爾茲曼多譜線(xiàn)斜率法計(jì)算[21]

式中,I,λ,Aik,gk,Ek和k分別為相應(yīng)譜線(xiàn)的相對(duì)強(qiáng)度、中心波長(zhǎng)、躍遷概率、上能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重、上能級(jí)能量和玻爾茲曼常數(shù);Te為所求電子溫度.利用(11)式, 通過(guò)測(cè)量一組同一元素不同波長(zhǎng)的發(fā)射譜線(xiàn), 可以得到 l n(Iλ/(Aikgk))～Ek的玻爾茲曼斜線(xiàn), 通過(guò)斜線(xiàn)斜率(?1/(kTe) )即可進(jìn)一步得到電子溫度. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù), 本文選用3 條F 原子的發(fā)射譜線(xiàn)(F I 641.36, 690.98, 712.79 nm)進(jìn)行計(jì)算, 并利用NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)得到F 原子的相關(guān)參數(shù), 延遲時(shí)間為3630 ns 時(shí)的玻爾茲曼斜線(xiàn)如圖5 所示.

圖6 為利用玻爾茲曼多譜線(xiàn)斜率法求得的等離子體電子溫度隨時(shí)間演化過(guò)程. 從圖6 可知, 在SF6等離子體形成初期, 電子溫度最高達(dá)2047 K,此后在300 ns 內(nèi)電子溫度迅速下降至1600 K 左右, 這主要是因?yàn)樵诘入x子體形成初期, 等離子體快速膨脹, 粒子間相互碰撞加劇, 電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量損失增大, 導(dǎo)致電子溫度迅速下降. 此后電子溫度維持在1500 K 上下, 之后電子溫度隨著延遲時(shí)間逐漸下降, 對(duì)電子溫度隨時(shí)間演化過(guò)程進(jìn)行函數(shù)擬合, 發(fā)現(xiàn)電子溫度隨延遲時(shí)間滿(mǎn)足指數(shù)衰減.

圖6 SF6 等離子體電子溫度隨時(shí)間的演化過(guò)程Fig. 6. Time-resolved electron temperature of SF6 plasma.

3.2.2 等離子體電子密度隨時(shí)間的演化過(guò)程

在局部熱平衡條件下, 電子密度可利用譜線(xiàn)的Stark 展寬求解[24]:

式中 ?λ1/2,ω,Ne分別為譜線(xiàn)半峰全寬、電子碰撞參數(shù)和電子密度.

本文選取信背比最高的F I 685.60 nm 譜線(xiàn)計(jì)算電子密度, 由洛倫茲擬合得到F 原子在685.60 nm處的半峰全寬,ω取0.0167 nm. 由(12)式得到電子密度隨延遲時(shí)間的演化曲線(xiàn), 如圖7 所示. 從圖7可以看出, 等離子體電子密度和電子溫度的演化過(guò)程基本相同, 在SF6等離子體形成初期, 等離子體密度最高( 1 0.1×1017cm?3), 這主要是因?yàn)榉烹婇_(kāi)始時(shí)大量SF6會(huì)迅速發(fā)生分解, 產(chǎn)生大量電子,此后在200 ns 內(nèi)等離子體電子密度迅速下降, 之后電子密度下降趨于平緩, 這主要是因?yàn)殡娮优c離子的復(fù)合(如反應(yīng)式(5))隨延遲時(shí)間減弱使得電子密度下降趨勢(shì)減弱. 對(duì)電子密度隨時(shí)間演化過(guò)程進(jìn)行函數(shù)擬合, 發(fā)現(xiàn)電子密度隨延遲時(shí)間也滿(mǎn)足指數(shù)衰減.

圖7 SF6 等離子體電子密度隨時(shí)間的演化過(guò)程Fig. 7. Time-resolved electron density of SF6 plasma.

3.2.3 局部熱力學(xué)平衡分析

判斷等離子體是否處于局部熱力學(xué)平衡可用Mc Whirter 準(zhǔn)則判斷[25,26]:

式中,Ne,Te,Ek,Ei分別為電子密度、電子溫度、譜線(xiàn)上能級(jí)、譜線(xiàn)下能級(jí). 本實(shí)驗(yàn)中譜線(xiàn)上下能級(jí)差最大為1.93 eV, 電子溫度最大值為2047 K, 代入(13)式得到滿(mǎn)足局部熱力學(xué)平衡的最小電子密度為 0.52×1017cm?3, 實(shí)驗(yàn)所得最小電子密度為6.3×1017cm?3, 顯 然 滿(mǎn) 足Mc Whirter 準(zhǔn) 則, 即SF6等離子體處于局部熱平衡.

4 結(jié) 論

本文利用飛秒激光引導(dǎo)高壓放電技術(shù)對(duì)SF6等離子體時(shí)間分辨光譜特性進(jìn)行了研究. 得到了SF6等離子體在300—820 nm 波段范圍內(nèi)的光譜,根據(jù)NIST 原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)光譜中的特征譜線(xiàn)進(jìn)行了識(shí)別和歸屬, 觀(guān)測(cè)到大量S 和F 的發(fā)射譜線(xiàn), 分析認(rèn)為SF6在放電情況下發(fā)生了分解, 且S 和F 原子主要由SF6氣體分子被高能電子碰撞直接或間接產(chǎn)生, S 離子由S 原子被高能電子撞擊產(chǎn)生. 給出了SF6等離子體的時(shí)間分辨光譜, 等離子光譜強(qiáng)度先增大后減弱, 且均由帶狀光譜和分立光譜疊加而成, 帶狀光譜主要由軔致輻射和復(fù)合輻射共同作用導(dǎo)致的, 復(fù)合輻射主要是電子和離子的碰撞以及SF6分解后的分子和原子的復(fù)合導(dǎo)致的,得到了S 離子在409.91 nm 處的熒光壽命為57 ns,F 原子在685.60 nm 處的熒光壽命為341 ns. 給出了SF6等離子體電子溫度和電子密度隨時(shí)間的演化規(guī)律, 二者演化規(guī)律基本相同, 且隨延遲時(shí)間均呈指數(shù)衰減. 研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展SF6分解機(jī)理和高壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究具有重要意義.