虞浩章,王非凡,趙建勛,王綏凱,何壽杰,李 慶

河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071002

引 言

電暈放電是氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)下的局部自持放電。電暈放電產(chǎn)生的等離子體電子密度高、能量大,可以將大分子污染物電離、降解到原子態(tài),安全可靠且對(duì)環(huán)境沒(méi)有副作用,在有害氣體降解和材料制備等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

目前實(shí)驗(yàn)中對(duì)Trichel脈沖的研究主要包括其伏安特性曲線、電流和電壓波形以及放電圖像等,而對(duì)于其發(fā)射光譜的研究較少。發(fā)射光譜法是一種常用的等離子體探測(cè)手段,通過(guò)發(fā)射光譜可以計(jì)算得到電子激發(fā)溫度、分子振動(dòng)溫度和電子密度等特征量,從而可以進(jìn)一步揭示其放電機(jī)理。本文利用針板電極結(jié)構(gòu)在空氣環(huán)境下研究了Trichel脈沖的放電特性,測(cè)量得到了電暈放電的發(fā)光圖像和發(fā)射光譜,并通過(guò)發(fā)射光譜計(jì)算得到了分子振動(dòng)溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度等參量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1為針板電極放電實(shí)驗(yàn)裝置圖。針板電極放電單元的陰極為曲率半徑σ=270 μm的不銹鋼針,陽(yáng)極為直徑D=3 cm的圓形鉬片,陰極與陽(yáng)極間距d=1 cm。實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)氣壓較低時(shí)(幾百帕),Trichel脈沖更加穩(wěn)定和規(guī)則,因此放電單元置于一壓強(qiáng)可調(diào)的真空腔室內(nèi)。針板電極的陰極通過(guò)一個(gè)阻值為5 MΩ的限流電阻R1與負(fù)直流高壓電源相連,陽(yáng)極通過(guò)一個(gè)阻值為10 kΩ的采樣電阻R2接地。限流電阻和測(cè)量電阻端的平均電壓和瞬時(shí)電壓由高壓探頭V1、V2測(cè)量得到。平均電流值可以用測(cè)量電阻端的電流表A直接測(cè)量得到。通過(guò)CCD相機(jī)拍攝放電的發(fā)光圖像,通過(guò)光譜儀采集放電中的發(fā)射光譜。光譜儀通過(guò)透鏡采集針尖附近位置的發(fā)射光譜。透鏡距離針尖約為10 cm。氣體環(huán)境為空氣,氣壓為600 Pa。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic of the discharge system

2 結(jié)果與討論

2.1 伏安特性和放電圖像

圖2為針板電極放電的伏安特性曲線。在本實(shí)驗(yàn)條件下,隨著平均電流的增加,在測(cè)量范圍內(nèi)整個(gè)V-I特性曲線呈現(xiàn)出Trichel脈沖和正常輝光放電兩種放電模式。部分文獻(xiàn)報(bào)道在Trichel脈沖模式放電前一階段電流更低時(shí)存在一湯生放電模式,而在本實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)量得到此階段。這主要是由于本實(shí)驗(yàn)氣壓較高和限流電阻較低,放電擊穿后直接過(guò)渡到Trichel放電模式。由于Trichel脈沖階段電流和電壓均呈周期性變化,因此圖2中此階段電流和電壓均為周期平均值。在平均電流I=20～160 μA范圍內(nèi),為Trichel脈沖放電模式;平均電流I=200～300 μA范圍內(nèi),為無(wú)脈沖的正常輝光放電階段。在Trichel脈沖階段,極間電壓隨著平均電流的升高而降低。正常輝光放電階段,隨著平均電流增加,極間電壓基本保持不變。

圖2 放電的伏安特性曲線Fig.2 Voltage-current curve of discharge

圖3為不同平均電流時(shí)的放電發(fā)光圖像。由圖可知,不同平均電流的發(fā)光圖像從定性角度而言是相似的。根據(jù)從針尖到陽(yáng)極平板區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度差異可以分為負(fù)輝區(qū)(NG)、法拉第暗區(qū)(FDS)、正柱區(qū)(PC)和陽(yáng)極輝區(qū)(AG),如圖3(d)所示。在陰極針體表面,畸化電場(chǎng)使得電子獲得了很大的能量,由于高速電子碰撞電離截面很小,故在陰極表面不發(fā)光。在負(fù)輝區(qū),電子在碰撞過(guò)程中能量被消耗,氣體得到有效電離和激發(fā),進(jìn)而形成發(fā)光。在法拉第暗區(qū),由于空間電場(chǎng)低于畸變之前的電場(chǎng),故該區(qū)域電離和激發(fā)過(guò)程很低,因此形成暗區(qū)。在正柱區(qū),電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與分子發(fā)生非彈性碰撞,接近正離子團(tuán)中心,電場(chǎng)迅速上升,電子獲得動(dòng)能后電離效應(yīng)增強(qiáng),形成正柱區(qū)發(fā)光。由于在陽(yáng)極附近存在較強(qiáng)的電場(chǎng),因此陽(yáng)極附近發(fā)光也較強(qiáng)。

圖3 不同平均電流時(shí)的放電發(fā)光圖像Fig.3 Discharge images at different average discharge current

另外,隨著平均電流的增加,電暈放電分區(qū)也發(fā)生明顯變化。平均電流I=20 μA時(shí),NG、PC區(qū)域發(fā)光較為微弱,陰極針尖處放電表現(xiàn)為微弱、模糊的光暈,陽(yáng)極附近發(fā)光不明顯。電流I>20 μA,針尖附近、正柱區(qū)以及陽(yáng)極表面的發(fā)光明顯增強(qiáng)。隨著平均電流進(jìn)一步升高,NG區(qū)域體積基本保持不變,FDS區(qū)域的長(zhǎng)度逐漸增加,PC區(qū)域長(zhǎng)度逐漸縮小,NG和PC區(qū)的發(fā)光強(qiáng)度不斷上升。最后,如圖3(f)所示,在Trichel脈沖消失時(shí),負(fù)輝區(qū)發(fā)光向陰極針尖收縮,正柱區(qū)向陽(yáng)極板貼近,并且兩個(gè)區(qū)域發(fā)光明顯增強(qiáng)。這表明,Trichel脈沖消失時(shí)陰極針與陽(yáng)極板附近均伴隨有電場(chǎng)強(qiáng)度和電子能量的驟增,放電模式由不穩(wěn)定的放電階段過(guò)渡到穩(wěn)定的正常輝光放電階段。

2.2 發(fā)射光譜

圖4 (a) 平均電流I=100 μA時(shí)放電發(fā)射光譜;(b) 不同平均電流時(shí)的發(fā)射光譜Fig.4 The spectrum of discharge at average discharge current I=100 μA

分子的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)溫度是描述等離子體性質(zhì)的兩個(gè)重要參數(shù)。激發(fā)態(tài)粒子的產(chǎn)生主要是由電子和分子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的,因此振動(dòng)溫度與電子溫度和電子密度密切相關(guān)。平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)間的能量交換非常迅速,使得轉(zhuǎn)動(dòng)溫度與分子溫度接近,在局部熱力學(xué)平衡條件下,可以用轉(zhuǎn)動(dòng)溫度Tr近似代表氣體溫度。本文參考文獻(xiàn)[11-12]利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的氮分子N2(C3Пu→B3Пg,0-2、1-3、2-4) 光譜與Spectiar軟件模擬得到的光譜進(jìn)行比較計(jì)算得到了氮分子的振動(dòng)溫度Tv和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度Tr。圖5為平均電流I=100 μA時(shí)的實(shí)驗(yàn)光譜和擬合光譜。如圖5所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)量光譜曲線與模擬光譜曲線具有較好的吻合性,模擬得到的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度為438 K,振動(dòng)溫度為4 325 K。

圖5 N2(C3Пu→B3Пg) 實(shí)驗(yàn)與擬合光譜Fig.5 The experimental and fitted spectra of N2(C3Пu→B3Пg)

本文同時(shí)計(jì)算得到了不同平均電流時(shí)N2的振動(dòng)溫度和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度,如圖6所示。在本實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍內(nèi),分子振動(dòng)溫度為3 900～4 500 K。在平均電流為40～160 μA范圍,即Trichel脈沖階段,分子振動(dòng)溫度隨著平均電流的增高先快速上升,然后逐漸變緩。當(dāng)Trichel脈沖消失時(shí),分子振動(dòng)溫度會(huì)出現(xiàn)較為明顯的升高,如圖6(a)中紅色箭頭所示。對(duì)于分子轉(zhuǎn)動(dòng)溫度同樣隨平均電流的增加而升高,但是變化較小,由40 μA時(shí)的430 K增加到280 μA 時(shí)的447 K,只增加了17 K。這說(shuō)明針尖附近氣體溫度隨電流的升高變化不明顯。

圖6 不同平均電流時(shí)N2分子(a)振動(dòng)溫度和(b)轉(zhuǎn)動(dòng)溫度Fig.6 (a) Vibrational temperature and (b) rotational temperature of N2 as function of average discharge current

已有文獻(xiàn)表明,利用氮分子離子譜線391.4 nm和氮分子第二正帶系譜線394.2 nm強(qiáng)度比可以計(jì)算得到電場(chǎng)強(qiáng)度[13]。圖7為計(jì)算得到的不同平均電流時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度。隨著平均電流的升高,電場(chǎng)強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。當(dāng)Trichel脈沖消失時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)一明顯的升高。利用此方法計(jì)算得到的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為145～190 kV·m-1。當(dāng)放電處于Trichel脈沖模式時(shí),在大氣壓空氣環(huán)境下(1.01×105Pa) 模擬得到的針尖附近的電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.5×107V·m-1[14]。按照氣體放電理論,不同氣壓下放電的擊穿和維持所需絕對(duì)電場(chǎng)數(shù)值存在很大差別,但是約化電場(chǎng)強(qiáng)度相差不大。本實(shí)驗(yàn)氣體壓強(qiáng)為600 Pa,計(jì)算得到的特里切爾脈沖模式下約化電場(chǎng)強(qiáng)度E/P為0.23～0.31 kV·mPa-1。而文獻(xiàn)[15]數(shù)值模擬值得到的大氣壓下約化電場(chǎng)強(qiáng)度為0.25 kV·mPa-1。因此實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和模擬結(jié)果相符合。

圖7 不同平均電流時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.7 Electric field at different average discharge current

分子的電離和激發(fā)主要是由電子碰撞分子產(chǎn)生。當(dāng)平均電流比較低時(shí),針尖附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較弱。而電子能量的提升主要是由電場(chǎng)加速電子產(chǎn)生的,因此電子能量也較低,進(jìn)而造成電離和激發(fā)均較弱。因此當(dāng)電流較低時(shí)處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)量較少,振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度較低,針尖附近發(fā)光較弱。由圖2可知,當(dāng)平均電流升高即放電強(qiáng)度升高時(shí),由于外部限流電阻的作用極間電壓反而降低。這說(shuō)明此階段放電的維持與外加電壓關(guān)系不大,放電強(qiáng)度的增強(qiáng)主要受空間電荷層的影響。此階段隨著電流的增加,陰極附近正電荷層不斷增強(qiáng),電勢(shì)降升高,相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度升高。電離和激發(fā)速率升高,激發(fā)態(tài)粒子密度和分子振動(dòng)溫度相應(yīng)升高,針尖附近發(fā)光和光譜強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。由于針尖附近電子能量增加,運(yùn)動(dòng)速度增快,因此碰撞過(guò)程中傳遞給氣體分子的能量也增大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)溫度升高。針尖附近電勢(shì)降的升高造成FDS區(qū)電勢(shì)降和電場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)降低,電子需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的距離才能獲得足夠的能量產(chǎn)生電離和激發(fā),因此FDS區(qū)域長(zhǎng)度隨著平均電流的升高而增長(zhǎng)。當(dāng)Trichel脈沖消失時(shí),針尖附近電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)一明顯升高,因此電子能量和電子密度也隨之突變升高,進(jìn)而造成激發(fā)態(tài)粒子數(shù)目升高,因此發(fā)光強(qiáng)度和振動(dòng)溫度隨之出現(xiàn)躍變?cè)黾?如圖3(f)和圖6(a)所示。同時(shí)陰極鞘層和陽(yáng)極鞘層寬度會(huì)出現(xiàn)突然降低,因此發(fā)光出現(xiàn)向針尖和陽(yáng)極板的迅速收縮,FDS區(qū)域長(zhǎng)度出現(xiàn)突然的增加。當(dāng)放電過(guò)渡到正常輝光放電模式后,陰極附近電場(chǎng)強(qiáng)度和電子能量升高不再明顯,此階段電流的升高主要依靠放電面積的增加[15],因此與Trichel脈沖放電階段相比,分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)速度均變緩。

3 結(jié) 論

利用針板放電結(jié)構(gòu)在空氣環(huán)境下對(duì)Trichel脈沖放電的光學(xué)特性進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下:

(1) 在平均電流為20～300 μA范圍內(nèi),放電分為Trichel脈沖放電模式和正常輝光放電模式。

(2) 從陰極針尖到陽(yáng)極平板區(qū)域分為負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)和陽(yáng)極輝區(qū)。

(3) 利用氮分子的發(fā)射譜帶計(jì)算得到了針陰極附近的分子振動(dòng)溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度。分子振動(dòng)溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度均隨平均電流的增加而增加。當(dāng)Trichel脈沖消失時(shí),分子振動(dòng)溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)較為明顯的升高。