狭缝介质阻挡放电电子密度

吕英辉，董丽芳，刘为远

（河北大学物理科学与技术学院，河北保定 071002）

狭缝介质阻挡放电电子密度

吕英辉，董丽芳，刘为远

（河北大学物理科学与技术学院，河北保定 071002）

利用平行管水电极介质阻挡放电装置，在大气压氩气和空气混合气体中，得到了均匀狭缝等离子体，并采用光谱方法，研究了微间距介质阻挡放电的放电丝分布均匀时电子密度.实验测量了等离子体发射的氩原子696.54 nm谱线，通过反卷积程序分离出Stark展宽，由此得到均匀放电时等离子体电子密度约为8.79×1015cm－3.

介质阻挡放电；Stark展宽；电子密度

介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，简称DBD）是一种产生冷等离子体的交流气体放电，其装置的主要特点是至少在1个电极上覆盖有电介质［1－2］.由于DBD可以工作在近大气压及大气压条件下，并且具有电子温度可方便调节、能量转换效率高等优点，因此被广泛用于臭氧合成［3－5］、聚合物表面改性、污染物控制［6－7］等诸多工业领域，并且有望在信息处理、材料的局域性生长及等离子体光子晶体等领域得到应用.而在大气压介质阻挡放电中，均匀放电是人们最为关注的放电模式.因为均匀等离子体应用于薄膜、纺织品等工业领域较非均匀等离子体有特殊的优势.因此对均匀等离子体重要参数的研究，就显得尤为重要.

微放电等离子体，是指将其空间特征尺度限制在亚毫米量级的等离子体.它与常规等离子体相比，出现了一些新的变化，比如更高的等离子体密度、更好的稳定性及由此带来的其他新的特点和优势.因此微放电等离子体为低温等离子体开辟了一个崭新和颇具吸引力的领域［7］.本工作在以前的实验基础上测量了微间距介质阻挡放电丝分布均匀时电子密度这一重要参量，对微间距介质阻挡放电实验做了进一步的补充.

1 实验装置

实验装置如图1所示，电极由装满水的2个平行玻璃管组成，管的内外直径分别为1 cm和0.8 cm，管的长度为10 cm，两管间的间距有螺旋测微器调节.整个电极放入密闭的反应室中，水电极连接到一个电压调节范围为（0～10 k V）且频率为0～65 k Hz的高压交流电源上.高压交流电源输出的波形由高压探头（Tektronix p6015A，1000X）测得，并输入示波器（Tektronix TDS 3054，500 MHz）进行采集.50Ω的电阻用来测量电流信号.气体放电发出的光经光纤（Fiber）导入光谱仪（ACTON SP－2758，CCD：1340×400 pixels），计算机控制采集光谱.放电照片由数码相机（Canon Powershot G1：1024×768 pixels）记录.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

2 实验过程与讨论

实验研究了微间距介质阻挡放电均匀时的电子密度.将水电极装置放于密闭容器中，调节气体比例，氩气的体积分数为80%，空气的体积分数为20%，容器中的气压为大气压.放电气隙间距为100μm.调节驱动电源，使得频率控制在40 k Hz.当电压高于击穿域值时，产生放电.此时逐渐升高电压，使得放电由丝模式变为均匀放电.对此过程中的放电电流及电压进行跟踪记录，同时由电数码相机拍摄放电照片.

实验发现，随着电压的升高，当电压高于击穿域值2.59 k V时，出现丝状放电，此时从放电测试电阻上得到的放电电流脉冲看上去不太明显，如图2 a；继续升高电压至3.25 k V时放电丝逐渐变亮，且放电丝的个数变多，从侧面看很多的放电丝叠加在一块，逐渐趋于均匀，此时放电脉冲个数变多，且脉冲的幅度变大，如图2 b；继续升高电压时，放电丝增多叠加，这使得放电由丝模式变为均匀放电（U＝3.69 k V），此时的放电脉冲更多，聚集成一簇，且出现“过零放电”，如图2 c所示.随着外加电压的升高，放电丝的数量变得越来越多，新增的放电丝产生在内建电场E（Q）较小的地方，即2个旧的放电丝之间.所以随着放电丝数量的增加，就足以在狭缝区域内均匀分布，形成均匀模式的放电.

本工作通过光谱法计算了微间距介质阻挡均匀放电时的电子密度.由前期的工作得知［7］，大气压下van der Waals展宽大约为3×10－3nm.通过对光谱仪进行定标和测量仪器展宽，将测量谱线拟和，发现仪器展宽为Gaussian线型和Lorentzian线型的卷积，其中Gaussian展宽为1.67×10－2nm，Lorentzian展宽为2.38×10－3nm.

为了计算微介质阻挡放电形成均匀放电时的电子密度，需要估算电子温度（Te）.实验测得，频率为40 k Hz时，微介质阻挡放电形成均匀放电时的电子激发温度大约为3.97×103K，因此，估测电子温度为1×104K或更高，并且在该电子温度下计算了电子密度.

图2 在不同的外加电压下狭缝放电照片Fig.2 Slot discharge photos at different applied voltages

对微间距介质阻挡均匀放电时的电子密度的测量，是通过分析发射光谱的Stark展宽实现的.将光纤对准放电区域，当电压升高到4.90 k V时，用光谱仪采集氩原子696.54 nm发射光谱，将光谱仪的中心波长定在696 nm附近，选用光谱仪的2.4×103G／mm光栅，其分辨率为0.01 nm.实验中以λG，ωe，De和A为拟和参数，与实验所测得的光谱线型进行拟和.由图3中的卷积线型C可以看出，卷积的结果与实验结果符合得很好.用2次反卷积，首先是将高斯线型和洛伦兹线型分离，然后将得到的洛伦兹线型分离出对称的洛伦兹（van der Waals展宽：3×10－3nm与仪器展宽的洛伦兹部分：2.38×10－3nm）和非对称的洛伦兹：Stark效应导致的谱线增宽.图3给出的是微间距介质阻挡均匀放电中的反卷积结果即G－高斯线型和L－非对称的洛伦兹线型.

图3 介质阻挡微放电放电丝分布均匀时氩原子696.54 nm谱线反卷积的结果Fig.3 Deconvolution result for Ar I 696.54 nm spectral line profile when filaments homogeneously distribute in dielectric barrier microdischarge

Stark加宽是由等离子体中发光原子与带电粒子的库仑作用引起的，非氢原子主要是二次Stark效应，它导致谱线的展宽.Stark展宽ωt和谱线最大值处的Stark频移d t，分别由下面2式表示［8－10］：

由于Stark展宽线型本质的不对称性，谱线半高全宽处的频移比谱线最大值处的频移更准确，因此式（2）可改写为

其中，ωe是电子碰撞加宽参数，de是电子碰撞频移参数，α是离子碰撞加宽参数.它们都是电子温度的函数［9］.

通过多次测量求平均值得介质阻挡微放电放电丝分布均匀时电子密度值约为8.79×1015cm－3，测量误差约为10%.

3 结论

通过光谱法分析大气压氩气和空气混合气体中氩原子696.54 nm发射谱线中的Stark展宽，在电子温度为1×104K时，估算了微间距介质阻挡放电放电丝分布均匀时电子密度值约为8.79×1015cm－3.该结果对大气压下微间距介质阻挡放电的均匀放电特性研究作了进一步的补充，并对人们深化认识微间距介质阻挡放电机制具有一定的参考意义.

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Electron Density in a Slot Dielectric Barrier Discharge

LÜYing－hui，DONG Li－fang，LIU Wei－yuan
（College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China）

Homogeneous slot plasma is realized in atmospheric pressure argon and air mixture by using dielectric barrier discharge device with two parallel water electrodes.The electron density of homogeneous slot plasma is studied by using the spectrum method.The spectrum line of Ar I 696.54 nm is measured，and Stark broadening is separated by using a procedure of deconvolution.It is found that the electron density in homogeneous slot plasma is approximately 8.79×1015cm－3.

dielectric barrier discharge；stark broadening；electron density

O 484

A

1000－1565（2011）03－0254－04

2010－05－23

国家自然科学基金资助项目（10775037）；河北省自然科学基金资助项目（A2008000564）

吕英辉（1979－），女，河北曲阳人，河北大学在读硕士研究生.

E－mail：lvyinghui3＠126.com

孟素兰）