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        Ar 等離子體射流助燃空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電光譜特性研究

        2021-10-29 08:28:26鄧國禮洪義通訊作者劉逸飛
        電子制作 2021年18期
        關(guān)鍵詞:射流等離子體介質(zhì)

        鄧國禮,洪義(通訊作者),劉逸飛

        (大連民族大學(xué)物理與材料工程學(xué)院,遼寧大連,116600)

        介質(zhì)阻擋放電的特點在于通過把絕緣介質(zhì)(石英、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等)插入到幾毫米到幾厘米的放電空間[1-3],使載流子積累在介質(zhì)表面,形成與外加電場方向相反的的內(nèi)建電場,進而減小放電空間內(nèi)的總電場,有效地抑制放電電流的自由增長,從而避免放電過渡到弧光放電或火花放電,并且放電空間內(nèi)的電子能量高,放電穩(wěn)定和均勻[4]。通過研究發(fā)現(xiàn),OH、O 等許多活性粒子主要是在介質(zhì)阻擋放電的絲狀微放電通道中產(chǎn)生[5],并且對空氣凈化、殺菌、材料表面改性、薄膜沉積、水中有機污染物去除等方面起到重要的作用[6-8],因此過去幾十年里介質(zhì)阻擋放電受到人們廣泛關(guān)注。

        總所周知,在Ar 等離子體中參入少量的空氣有助于產(chǎn)生更多的活性粒子,但是隨著空氣含量的增加放電極其不穩(wěn)定,很容易熄滅。這是因為氧氣作為電負性氣體,放電過程中通過迅速捕捉電子產(chǎn)生氧負離子[9],所以需要相對較高的工作電壓才能產(chǎn)生和維持空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電。為了解決這個問題,本文提出了氬氣等離子體射流助燃空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電裝置。該裝置的特點在于通過預(yù)先形成Ar 等離子體射流,為高壓電極周圍空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電提供種子電荷,使放電擊穿電壓得到明顯減小,進而減小了裝置的能耗,并對其進行了電學(xué)特性和光譜特性診斷。

        1 實驗裝置

        圖1 給出了Ar 等離子體射流助燃空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電的實驗裝置。從圖1 中可以看出該實驗裝采用了針-板式電極結(jié)構(gòu),高壓電極為一根外徑10 mm、內(nèi)徑2 mm、長200 mm的不銹鋼空心鋼管,低壓電極為直徑30 mm、厚0.3 mm的銅箔。在低壓電極的上方放置了直徑40 mm、厚1 mm的石英玻璃板,作為阻擋放電的絕緣介質(zhì)。高壓電極的下端作為放電端距離石英玻璃板2.5 mm。

        圖1 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

        Ar 氣體(純度為99.999%)作為工作氣體,從高壓電極的上端進入,并利用質(zhì)量流量計控制其流量為1 L/min。電源采用高頻交流電源,峰值電壓范圍為0~30 kV,頻率范圍為0~20kHz,本次實驗固定其頻率為8 kHz。放電過程中的電壓-電流波形利用高電壓探頭(Textronix P6015A)和羅氏電流線圈(Pearson 4100)測量得到,并利用示波器(Tektronix MDO3012)記錄其波形。300-850 nm 波長范圍內(nèi)的特征發(fā)射光譜利用光譜儀(Acton Research Spectrapro-2500i)測量得到,并設(shè)置光柵為300 槽mm-1,狹縫寬度為20 μm。光譜儀的光纖探頭放置在距石英板上方1mm、高壓電極側(cè)面20mm 處。

        圖2 給出了峰值電壓為9 kV 時,利用數(shù)碼相機(EOS 5D Mark III)拍照得到的放電照片。從該圖中可以看出,高壓電極下端的中心處形成了柱狀氬氣等離子體射流,而其周圍形成了絲狀介質(zhì)阻擋放電的空氣/Ar 等離子體,說明Ar等離子體射流可以很好的助燃空氣/Ar 等離子體。之所以能夠產(chǎn)生這種放電現(xiàn)象,是因為大氣壓下氬氣的擊穿電壓比空氣小,進而先擊穿,為空氣/Ar 放電提供了種子電荷,因此比單純的空氣/Ar 放電所需的擊穿電壓小,進而減小了能耗。

        圖2 峰值電壓為9 kV 時放電照片

        2 結(jié)果與討論

        ■2.1 電學(xué)特性診斷

        圖3 給出了峰值電壓為9 kV 時測量得到的電-電流波形。從該圖中可以看出,放電電流波形上出現(xiàn)了許多脈沖細絲,說明高壓電極與接地電極之間形成了大量的微放電通道,并且電流脈沖最大值達到了172.49 mA。另外,工作電壓正半周期對應(yīng)的電流脈沖值明顯大于工作電壓負半周期對應(yīng)的電流脈沖值,這是因為兩個電極形狀不同導(dǎo)致,即高壓電極曲率半徑遠小于接地電極曲率半徑。

        圖3 電壓-電流波形圖

        圖4 給出了放電功率隨峰值電壓的變化。放電功率是通過接地電極串聯(lián)1 μF的電容,測量李莎茹圖形,并利用公式P=fC mS計算得到,式中P、f、Cm、S分別表示放電功率、電源頻率、接地電容和李莎茹圖形面積。從圖4中可以看出,隨著峰值電壓的增大,放電功率幾乎線性地增大,并且峰值電壓為11kV 時,放電功率僅為61.21W。

        圖4 放電功率隨峰值電壓的變化

        ■2.2 光學(xué)特性診斷

        圖5 給出了峰值電壓為9 kV 時,利用光譜儀測量得到的300-850nm 波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。從該圖中可以看出,放電等離子體中存在激發(fā)態(tài)的Ar、OHO (777.4 nm)等活性粒子。

        圖5 300-850 nm波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜

        圖6 給出了氮分子轉(zhuǎn)動溫度(TRot)和振動溫度(TVib)隨峰值電壓的變化。氮分子的轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度是通過光譜分析軟件Specair 擬合368-382 nm 波長范圍內(nèi)的氮分子譜帶并與實驗測量光譜吻合的最好時就可以確定,如圖6(b)的內(nèi)嵌圖所示。從圖6中可以看出,氮分子轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大,并且它的變化趨勢與放電功率隨峰值電壓的變化趨勢完全一致,說明隨著峰值電壓的增大,電子通過加速運動從外電場獲得更多的能量,并與氮分子碰撞把更多的能量轉(zhuǎn)移到了氮分子的轉(zhuǎn)動和振動能級上,從而使溫度提高。另外,氮分子的振動溫度遠大于轉(zhuǎn)動溫度,說明此時放電等離子體處于非熱平衡狀態(tài)。當(dāng)峰值電壓從8 kV 增大到11 kV 時,轉(zhuǎn)動溫度從335 K 增大到了393 K,而振動溫度從2497 K 增大到了2672 K。

        圖6 氮分子轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度隨峰值電壓的變化

        圖7 給出了電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的變化。電子激發(fā)溫度是通過選擇706.72、714.70、727.29、738.40、750.39、751.47、772.38、794.82、800.62、826.46 nm等10 條中性激發(fā)態(tài)的Ar 譜線,利用玻爾茲曼斜率法計算得到,如圖7的內(nèi)嵌圖所示。從圖7 中可以看出,隨著峰值電壓的增大,電子激發(fā)溫度幾乎線性地增大,這是因為隨著峰值電壓的增大,高壓電極與接地電極間的電場強度增大,電子通過電場加速可以獲得更多的能量,所以電子激發(fā)溫度增大。當(dāng)峰值電壓從8 kV 增大到11 kV 時,電子激發(fā)溫度從4129 K 增大到了4465 K。

        圖7 電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的變化

        3 結(jié)論

        利用預(yù)先產(chǎn)生的Ar 等離子體射流在在高壓電極周圍產(chǎn)生了空氣/Ar 介質(zhì)阻擋放電等離子體,并對其進行了電學(xué)特性和光譜特性診斷。實驗結(jié)果表明,放電電流中出現(xiàn)了大量的絲狀電流脈沖,并且最大放電功率為61.21 W。另外,放電等離子體中存在Ar*、OH*、N2*、N2+、O*等多種活性粒子,并且放電功率、N2轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度、電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大。

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