李政楷，陳 雷*，楊 聰，宋 鵬，曾 文，劉愛虢，龐鈞譯

1.沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動機學(xué)院，遼寧 沈陽 110136 2.大連民族大學(xué)機電信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116600 3.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機研究所，遼寧 大連 116024

引 言

大氣壓等離子體射流憑借其產(chǎn)生裝置簡單、射流溫度低、活性粒子種類豐富且濃度較高等特點，在材料科學(xué)[1]、能源環(huán)境[2]、點火助燃[3]、醫(yī)療[4]等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。同時大氣壓等離子體射流作為等離子體領(lǐng)域的研究熱點吸引大量的科研人員對其進行研究。1998年，Rie等[5]利用等離子體特征光譜來對等離子體中的成分進行分析；Nimisha[6]等利用發(fā)射光譜法對等離子體射流的活性粒子種類進行了檢測，并通過氫氣的譜線對等離子體射流內(nèi)部的電子密度進行了計算；宋振興等[7]研究了氬氣體積分?jǐn)?shù)、外加電壓幅值及氣體流量在介質(zhì)阻擋放電時對等離子體射流電子激發(fā)溫度的影響；宋鵬[8]等研究的不同電極形狀對等離子體射流電子激發(fā)溫度、電子密度隨峰值電壓的變化規(guī)律的影響。

電子激發(fā)溫度、電子密度以及活性基種類是等離子體的三大基本參數(shù)，弄清這些參數(shù)隨試驗工況的變化規(guī)律對提高Ar/CH4等離子體射流在工程實際中的放電效率、優(yōu)化放電結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的作用。為了更好的反映Ar/CH4等離子體射流形成過程時空多尺度結(jié)構(gòu)及空間效應(yīng)，本文設(shè)計了一種針-環(huán)式結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生器，在大氣壓條件下對Ar/CH4混合氣放電并產(chǎn)生等離子體射流，利用發(fā)射光譜法對Ar/CH4等離子體射流的光譜特性進行了分析，并研究了三大基本參數(shù)隨各工況的變化規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 裝置

圖1為本次試驗的試驗裝置示意圖，其中等離子體發(fā)生器為自主設(shè)計的針-環(huán)射流裝置，該發(fā)生器的中心電極為一個尖銳的紫銅電極，其與高壓電源相連接，低壓電極為與接地端串接的紫銅帶，絕緣層的材料選用為石英玻璃。該發(fā)生器的直徑為12 mm,石英玻璃管壁厚為2 mm，低壓電極的寬度為12 mm，且距中心電極尖端的距離為10 mm,放電間隙為3 mm。

圖1 實驗裝置及測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of jet experimental device and measurement system

試驗采用CPT-2000K型微秒脈沖低溫等離子體電源，電源電壓在0～30 kV內(nèi)可調(diào)，放電電流的采樣阻值為50 Ω，所得電流、電壓以及放電頻率等參數(shù)皆記錄在Tronix-TDS1002型數(shù)字型示波器上；試驗中使用的氣體由高壓氣瓶提供(純度為99.99%)，發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)由AvaSpec-ULS2048-4-USB2SZ光纖式光譜儀及計算機組成。光纖探頭將接收光信號并測量發(fā)射光譜的譜線強度，得到的實驗數(shù)據(jù)將被存儲在與光譜儀連接的計算機中。

1.2 診斷方法

等離子體射流的診斷方法很多，例如探針法[9]，原子熒光光譜法[10]等。原子發(fā)射光譜因其診斷準(zhǔn)確性上的優(yōu)勢在實際應(yīng)用中使用廣泛。

1.2.1 電子激發(fā)溫度診斷方法

當(dāng)分子、原子、離子以及自由基等物質(zhì)發(fā)生能級躍遷時，會以釋放光子的形式輻射出能量形成發(fā)射光譜，通過分析光譜信息可得到等離子體射流的電子激發(fā)溫度信息。

本實驗的等離子體射流可近似認(rèn)為處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)，故以多譜線斜率法來對Ar/CH4等離子體射流的電子激發(fā)溫度進行計算。

對于處于LTE狀態(tài)的等離子體，處于Ek能級的粒子數(shù)滿足玻爾茲曼分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式(1)中，N和Z分別表示原子數(shù)總密度及分配函數(shù)，nk和g分別為上能級Ek上的粒子數(shù)和統(tǒng)計權(quán)重，k為玻爾茲曼常數(shù)，Ek為激發(fā)能，Te為電子激發(fā)溫度。

當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的粒子向低能級進行躍遷時，相對光譜強度的表達(dá)式為

(2)

式(2)中，h為普朗克常數(shù)，c為真空光速，λ為特征譜線波長，A為躍遷概率，E為激發(fā)能，其中Ek，g和A的值可在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)的躍遷幾率表中查得。

對式(2)兩端同時取對數(shù)，可以得出

(3)

由式(3)可知，ln(Ιλ/gA)和Ek呈線性關(guān)系，所以只要測得光譜線的相對譜線強度就可以繪出以ln(Ιλ/gA)為縱坐標(biāo)、Ek為橫坐標(biāo)的直線圖，通過求得直線圖的斜率就可以得到等離子體射流的電子激發(fā)溫度。

1.2.2 電子密度診斷方法

任何譜線的輪廓都具有一定的范圍，也就是譜線寬度。通常來講，譜線的加寬機制主要有自然加寬、多普勒加寬、Stark加寬以及儀器加寬，粒子發(fā)射光子時受到周邊其他帶電粒子的影響而引起的譜線的加寬就是Stark加寬，Stark加寬是主要加寬機制之一，而影響Stark加寬的最主要因素就是電子密度。故可通過Stark加寬來求解電子密度。

在高密度等離子體中，譜線的Stark加寬可表示為電子密度及電子激發(fā)溫度的一個復(fù)雜公式

(4)

式(4)中：α為離子碰撞參數(shù)，ω為電子碰撞半寬。

2 結(jié)果與討論

2.1 射流形態(tài)及射流成分分析

本次試驗放電頻率為10 kHz，峰值電壓由6 kV依次遞加到11 kV(間隔1 kV)。

試驗所得Ar/CH4等離子體射流如圖2所示，從圖中可以看到Ar/CH4等離子體射流呈淡藍(lán)色。試驗過程中在Ar/CH4等離子體射流的邊緣可觀察到絲狀毛刺并伴有刺耳的電離聲，在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)Ar/CH4等離子體射流的尖端形態(tài)波動較大，氣流的擾動及空氣中負(fù)電性的氧是造成這種現(xiàn)象的主要原因。其中負(fù)電性氣體對電子的吸引能力很強，因此在Ar/CH4等離子體射流中，電子與活性粒子之間的碰撞更少。進而導(dǎo)致Ar/CH4等離子射流的尖端射流形狀發(fā)生很大的波動。

圖2 大氣壓Ar/CH4等離子體射流Fig.2 Photograph of Ar/CH4 plasma jet at atmospheric pressure

Ar/CH4等離子體射流中的特征光譜信息如圖3所示，從圖3(a)和(b)中可以觀察到CH(431.115)基團、CⅢ(465.254)、CⅣ(468.251)、C、CⅡ、ArⅠ、ArⅡ的譜線，其中含碳粒子的譜線主要集中在400～600 nm之間，ArⅠ和ArⅡ的分布區(qū)間在680～800 nm之間。

圖3 Ar/CH4等離子體射流發(fā)射光譜信息(a):甲烷電離區(qū)；(b):氬氣電離區(qū)Fig.3 Spectralline distribution of Ar/CH4 plasma jet(a)：The ionization zone of CH4;(b)：The ionization zone of Ar

在高壓脈沖的作用下CH4電離過程可表示為式(5)

(5)

在發(fā)生DBD放電時，Ar/CH4混合氣中的自由電子會在電場的作用下變?yōu)楦吣茈娮樱吣茈娮优c正四面體結(jié)構(gòu)的CH4分子之間發(fā)生非彈性碰撞，使得CH4分子中的C—H鍵斷裂，CH4分子由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的CHn(n=1，2，3)。這些自由基在高能電子的轟擊下進一步脫氫電離形成新的自由基以及Cn(n=Ⅰ，Ⅱ，Ⅱ，Ⅳ)，但是在本次試驗的光譜圖像并沒有發(fā)現(xiàn)CH2和CH3的特征光譜，可能的原因是在本實驗的試驗工況下該活性粒子的產(chǎn)量很少、且壽命很短，所以在特征光譜圖中沒有發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)。同時在放電的過程中，通過特征光譜可以發(fā)現(xiàn)，原子碳及離子碳之間會發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，生成CⅡ，CⅢ和CⅣ。

2.2 CH基團濃度變化規(guī)律

為保證所得譜線相對光譜強度的精準(zhǔn)度降低試驗誤差，每一工況的相對光譜強度均測量三次后取平均值。由不同工況下CH基團相對光譜強度曲線可觀察到CH基團的相對光譜強度隨氬氣甲烷體積流量比及峰值電壓的變化規(guī)律。CH基團的相對光譜強度變化可體現(xiàn)CH4分子的分解程度，且同一譜線的強度是與該粒子的密度成正比的，所以可通過觀察CH基團譜線的相對光譜強度隨宏觀條件的變化規(guī)律來預(yù)測CH基團的實際粒子數(shù)隨宏觀條件的變化規(guī)律。圖4所示為不同工況下CH基團相對光譜強度。如圖4所示，可知保持體積流量比不變，隨峰值電壓的增大CH基團的相對光譜強度呈現(xiàn)增大的趨勢，而保持峰值電壓不變時，CH基團的相對光譜強度隨體積流量比的增大而減小。

圖4 不同工況下CH基團相對光譜強度Fig.4 The comparison of spectrum intensity of CH particle under different operating conditions

由前文分析可知，CH4分子的分解主要是因其與高能電子及活性基團之間的非彈性碰撞。當(dāng)峰值電壓較小時，電子平均動能較低，所以CH4分子因非彈性碰撞而碎裂的量很少，因而放電開始時CH基團的相對光譜強度相對較低。隨著峰值電壓的逐漸增大，電子平均動能增大，甲烷分子因與電子碰撞而碎裂的程度不斷增大，等離子體射流中的活性粒子數(shù)增加，所以CH基團的相對光譜強度相應(yīng)提高。這一變化表明在Ar/CH4等離子體射流中，增大峰值電壓可使CH4及其離解形成的各種碳?xì)浠鶊F產(chǎn)生較明顯的脫氫。當(dāng)保持峰值電壓不變、增大體積流量比時CH基團的相對光譜強度隨體積流量比的增大而減小，由圖5可知，隨體積流量比的增大C原子的相對光譜強度隨之增大。這說明增加了大量的易電離的惰性氣體增強了Ar/CH4等離子體射流的潘寧離化效應(yīng)，同時這一過程加劇了Ar/CH4等離子體射流中自由電子與活性基之間的非彈性碰撞，在加速CH4分子脫氫的同時，也加速了脫氫主要產(chǎn)物CH基團中的C—H鍵發(fā)生斷裂。C—H鍵斷裂生成的C原子及C離子之間會發(fā)生復(fù)合反應(yīng)生成CⅡ，CⅢ和CⅣ等物質(zhì)。

圖5 不同工況下C原子相對光譜強度Fig.5 The comparison of spectrum intensity of C atom under different operating conditions

2.3 電子激發(fā)溫度分析

本次試驗采用多譜線斜率法對等離子體的電子激發(fā)溫度進行分析與計算，在計算的過程中為保證計算精度，需對特征光譜信息進行篩選并選擇激發(fā)能級相差較大的譜線。因混合氣中惰性氣體Ar占比極高，高能電子主要由Ar率先電離產(chǎn)生，故選擇四條Ar的譜線來進行電子激發(fā)溫度的計算，通過NIST查詢可獲得相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 Ar原子特征譜線參數(shù)Table 1 Characteristic spectral line parameters of Ar atom

圖6為不同體積流量比下Ar/CH4等離子體玻爾茲曼擬合線，由圖可知特征譜線所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點均勻分布在玻爾茲曼線的兩側(cè)，具有一元擬合程度較高的特點(均方差在0.1～0.3之間)，且隨峰值電壓的增大，擬合直線呈向上的偏移趨勢。圖7是Ar/CH4等離子體射流電子激發(fā)溫度隨不同工況的變化趨勢，可以看到，當(dāng)保持體積流量比不變，增大峰值電壓時，電子激發(fā)溫度呈增大趨勢。這是因為隨峰值電壓的增大，放電功率會隨之增大，且電場做功主要耦合在自由電子上，在自由電子平均自由程不變的情況下，自由電子所能獲得的期望能量也就越高，所以電子激發(fā)溫度也隨峰值電壓的增大而增大。當(dāng)保持峰值電壓不變增大體積流量比時，電子激發(fā)溫度也隨體積流量比增大而增大。由于增大混合氣中氬氣的含量可有效的增加介質(zhì)阻擋放電的放電強度，提高放電效率，所以電子能量增加，電子激發(fā)溫度也就隨之增大。

圖6 Ar/CH4等離子體玻爾茲曼擬合線Fig.6 Ar/CH4 plasma Boltzmann fitting straight line diagram

圖7 不同工況下電子激發(fā)溫度Fig.7 Electron excitation temperature under different operating conditions

2.4 電子密度分析

等離子體特征譜線中蘊含著大量的信息，本文通過分析ArⅠ (696.54 nm) 譜線的Stark展寬來計算Ar/CH4等離子體射流的電子密度，在應(yīng)用EES工程計算軟件求解經(jīng)驗公式后得到的電子密度隨不同工況的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。可以看出，當(dāng)保持體積流量比恒定、增大峰值電壓時，電子密度呈現(xiàn)先急劇增大后緩慢增加趨勢。這是因為峰值電壓的增大導(dǎo)致介質(zhì)阻擋放電的微放電通道的場強增強，微放電通道內(nèi)的電荷輸運能力加快，高能電子與體系中其他粒子之間的碰撞加劇形成電子雪崩，使得體系內(nèi)的電子密度總體呈增大趨勢，在介質(zhì)阻擋放電的同時在介質(zhì)層上會積累大量電荷形成反向電場，阻礙放電進行，8 kV之后電子密度漲幅放緩說明峰值電壓的增大將導(dǎo)致介質(zhì)層上積累更多的電荷形成場強更大的反向電場。當(dāng)控制峰值電壓恒定改變體積流量比時，電子密度隨體積流量比增大而增大，這是因為增加氬氣含量后體系中的放電強度增大，所以電子密度也隨之增大。

圖8 不同工況下電子密度Fig.8 The electron density under different operating conditions

3 結(jié) 論

在大氣壓條件下利用針-環(huán)式等離子體發(fā)生器對Ar/CH4混合氣進行了電離，并對等離子體射流的光譜特性進行了診斷與分析，結(jié)果如下：

(1)在大氣壓條件下，Ar/CH4等離子體射流中的主要活性粒子成分為CH基團，CⅢ，CⅣ，C，CⅡ，ArⅠ和ArⅡ，其中含碳粒子的譜線分布在400～600 nm之間，ArⅠ和ArⅡ的譜線集中在680～800 nm之間。

(2)增大峰值電壓與Ar/CH4體積流量比均可有效促進甲烷分子的脫氫，但這兩種工況對CH基團含量的影響是不同的。隨峰值電壓的增大，CH基團的含量呈增大趨勢，這說明隨峰值電壓的逐漸增大，甲烷的脫氫電離程度增強；但當(dāng)體積流量比增大時，在潘寧離化效應(yīng)的作用下，Ar/CH4等離子體射流放電強度急劇增大，CH基團中的C—H鍵會發(fā)生斷裂導(dǎo)致其含量減少。

(3)增大峰值電壓(6～11 kV)可使自由電子在保持平均自由程不變的情況下獲得更高的期望能量，從而提高電子激發(fā)溫度，同時可增強微放電通道內(nèi)的場強，加劇微放電通道內(nèi)的粒子碰撞使電子密度增大。

(4)當(dāng)Ar/CH4體積流量比由120∶1增大到200∶1時可明顯增強Ar/CH4等離子體射流的放電強度，提高Ar/CH4等離子體射流的電子激發(fā)溫度及電子密度。