介质阻挡放电中等离子体子弹的速度

李雪辰，赵欢欢，刘润甫，常媛媛

（河北大学 物理科学与技术学院，河北省光电信息材料重点实验室，河北 保定 071002）

气体放电产生的低温非平衡态等离子体存在着大量的活性粒子，因此在生产生活中具有广泛的应用.例如，可以用于材料蚀刻［1］、表面处理［2］、臭氧合成［3］、水处理［4］、杀菌消毒等［5－6］.介质阻挡放电（DBD）是产生低温非平衡态等离子体的有效方法.

对气体放电而言，在不同的气压（p）以及不同的气隙间距（d）下会产生不同的放电模式，即pd值决定击穿机制.在pd值较低的情况下为Townsend击穿机制，高pd值下为流光击穿机制［7］.Choi等人［8］利用平行平板DBD装置研究了氮气中不同pd值的放电现象，发现改变pd值放电可以在辉光模式与流光模式间进行转换.Chu和Huang［9］利用平行平板DBD研究了在大气压空气中的放电，发现随着d的不断减小，放电由随机放电丝、固定放电丝、星状放电丝、快速移动放电丝转变为弥散放电.与平行平板实验装置相比针板放电装置可以实现大气压下较长间隙的稳定放电.例如，Machala等［10］在大气压空气中采用针板直流放电装置，通过改变放电回路的负载电阻在d值为6mm的情况下发现放电有流光电晕模式、辉光放电模式以及火花放电模式.Sun等人［11］利用针板DBD装置在大气压下以氦气为工作气体研究了d值为15mm的放电，发现放电处于辉光模式.通过亚微秒曝光时间ICCD拍摄放电发展过程，发现放电在针电极上形成等离子体柱，并且等离子体柱会在板电极表面扩展成圆盘状的等离子体（圆盘直径最大可达50mm）.Qi等人［12］研究了d值为8mm的大气压氩气针板DBD，发现放电由针板间的流光通道和周围的电晕放电现象组成，并通过放电的电磁辐射对2种放电模式的等离子体离子密度进行了研究.笔者利用大气压针板DBD放电装置在2.5mm氩气间隙下［13］，发现放电处于辉光模式，并研究了不同气压下等离子体直径随外加电压的变化关系.

以上研究中虽然能够在较长间隙中产生稳定放电，但工作气体多为惰性气体.从应用角度而言，在大气压空气中产生低温等离子体能够使装置简单化，降低生产成本.对于大气压长间隙空气放电一般认为是流光击穿，在这种情况下放电以发光光层的形式（称为等离子体子弹）传播.例如，Lu等人［14］利用喷枪装置通入氦气使用脉冲电源激励在大气压下放电产生等离子体羽，发现等离子体羽是以等离子体子弹形式传播，并用光电离理论对低电场下等离子体子弹的成因进行了解释.Kim等人［15］利用氩气同轴电极放电装置，研究了等离子体子弹的光电特征，并估算等离子体子弹的速度量级为104m／s.利用单针装置研究大气压空气放电中的等离子体子弹，发现等离子体子弹的速度量级为105m／s［16－17］.虽然大气压放电产生的等离子体羽和等离子体子弹已经有了一定的研究，但利用针板DBD装置产生大气压长间隙空气放电等离子体羽及等离子体子弹速度研究，未见报道.为此，本工作利用针板DBD装置，采用光学方法对大气压长间隙空气DBD等离子体羽特性和等离子体子弹传播速度进行研究.

1 实验装置

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

实验装置如图1所示，其中放电装置为针板DBD结构.针电极由金属钨制作而成，直径1.5mm的钨针长为30mm.钨针电极针尖的直径分别约为0.1，0.2和0.3mm.水电极为平板电极.水电极上覆盖石英玻璃作为放电的阻挡层，针尖与石英玻璃之间的距离可以调节.电源产生40kHz的正弦信号输出，钨针电极与高压输出相连.电源输出的电压通过高压探 头 （Tektronix P6015A）测 量，并 用 示 波 器 （Agilent DSO6054A）显示和存储.该示波器有4个通道，可以同时记录4个信号.利用光电倍增管（ET 9085SB）对光信号进行测量，光电倍增管即可以收集全部放电的发光，即测量总发光信号，又可以对放电发光进行空间分辨测量.对于空间分辨测量，利用凸透镜成像后，在像平面位置的光阑选择某位置放电发光信号后进入光电倍增管，这样每个光电倍增管可以测量放电区域直径约1mm的光信号（部分光信号）.利用2个部分光信号对应空间距离除以光信号的时间延迟可以获得等离子体子弹的传播速度.放电发光经凸透镜汇聚后进入光谱仪（ACTON SP2758，CCD：1340×400 pixels），放电发射光谱可以通过电脑显示并存储.利用数码相机（Canon EOS 7D）拍摄放电照片，曝光时间为40ms.

2 实验结果与讨论

图2为针板间距3cm时针板之间针尖所产生的等离子体羽放电长度随峰值电压UP变化照片，其中针尖在0位置.由图可知，随着UP的变化等离子体羽长度也发生变化.在刚达到击穿电压时，放电发生在针尖处很小的区域，此时为电晕放电.随着外加电压的升高，放电区域增大，亮度增强.外加电压约为12.7kV，放电在针板之间区域突然增长，形成等离子体羽，如图2a所示.该等离子体羽与等离子体针放电产生的等离子体羽形状相似［16－17］.随着UP的增加，等离子体羽长度减小，如图2b所示.当外加电压约为14.8kV时，等离子体羽长度再次突然增长，如图2c所示.随着外加电压的增加，等离子体羽长度会再次减小，如图2d所示.当外加电压约为16.2kV时，等离子体羽长度出现第3次突然增长.此后随着外加电压的增加，等离子体羽长度逐渐增长，直至达到2个电极之间的距离，如图e，f所示.因此，在等离子体羽放电过程中随着UP的升高，等离子体羽长度会呈阶段性增长，而等离子体针产生的等离子体羽长度随电压增大单调增加［17］.

图2 针板间距3cm不同峰值电压UP下的放电照片Fig.2 Interval 3cm between the needle tip and the plate with various discharge images under serial UP

图2a对应的总发光信号波形如图3所示.由图可知，当UP约为12.7kV时在外加电压正半周期的上升沿出现1个放电脉冲，脉冲宽度约为160ns.研究发现随着UP的升高，放电脉冲会出现时刻前移.

图3 峰值电压UP＝12.7kV的总发光信号的波形Fig.3 Waveforms of the total light emission under UP＝12.7kV

利用光电倍增管对放电发光进行空间分辨测量，发现大气压长间隙空气DBD也是以发光光层（等离子体子弹）的形式进行传播.为了研究等离子体子弹的速度（利用2个部分光信号对应空间距离除以光信号的时间延迟获得等离子体子弹的传播速度）分布，对不同空间位置等离子体子弹速度进行了研究.图4为外加电压正半周期单个脉冲针尖直径Φ＝0.1mm时等离子体子弹的速度的空间分布.从图4可以看出长间隙DBD放电中等离子体子弹的速度量级为105m／s.这与喷枪以及单针等离子体子弹的传播速度量级一致［16－18］.图4a给出了针板间距d＝2.5cm时的等离子体子弹速度空间分布.从图4a中可以看出，同一空间位置在UP＝12.7kV时的等离子体子弹速度大于UP＝13.7kV时的等离子体子弹速度，并且在同一电压下等离子体子弹速度随着距离针尖距离的增加而减小.图4b为针板间距d＝4.5cm时的等离子体子弹速度空间分布，等离子体子弹速度的空间分布与图4a相似，同一位置处外加电压高的等离子体速度比外加电压低的等离子体速度慢，并且在同一电压下离针尖越远的位置等离子体速度越慢.从图4a和图4b中可以看出，在UP＝13.7kV的情况下针板间距大的等离子体子弹的速度大于针板间距小的等离子体子弹的速度.

图4 不同针板间距等离子体子弹速度的空间分布Fig.4 Velocity distribution of the plasma bullet in space with different intervals

图5给出了针板间距d＝4.5cm峰值电压UP＝14.8kV不同直径针尖放电产生的等离子体子弹速度的空间分布.从图中可以看出，针板间距为4.5cm且相同外加电压情况下，不同的针尖直径放电产生的等离子体子弹速度也不相同.针尖直径越大等离子体子弹速度也越大，并且距针尖越近不同针尖直径放电产生的等离子体子弹速度差别越大，随着远离针尖等离子体子弹速度趋于相等.

图5 不同针尖直径Φ（0.1，0.2，0.3mm）的等离子体子弹速度空间分布Fig.5 Changing curves belonging to the velocity distribution of the plasma bullet in space depending on various diameters of needle tipsΦ（0.1，0.2，0.3mm）

利用光谱仪对大气压长间隙空气介质阻挡放电产生的等离子体发射光谱（300～850nm）进行了测量，如图6所示.从图中可以看出，放电等离子体发射光谱中存在OH谱带（在309nm附近）和O原子谱线（777.4nm）.OH自由基309nm的谱线带系源于A2Σ＋（v′＝0）→XⅡ（v″＝0）跃迁，O原子777.4nm谱线是氧原子的一个2p电子被激发后从3p态跃迁到3s态产生的，相应的原子谱线项是5p→5s0.OH自由基谱带和O原子谱线的出现，表明在大气压长间隙空气介质阻挡放电等离子体中产生活性粒子，这些活性粒子常用于表面处理、杀菌消毒、水处理等方面，从而表明该放电在生物医疗领域具有潜在的应用价值.

图6 大气压长间隙介质阻挡放电300～850nm的发射光谱Fig.6 Emission spectrum between 300—850nm of the long distance dielectric barrier discharge in atmosphere

3 结 论

对大气压长间隙空气介质阻挡放电产生的等离子体羽特性和等离子体子弹速度进行了研究.结果发现，在等离子体羽放电过程中随着UP的升高，等离子体羽长度呈阶段性增长.利用光电倍增管采集光信号，通过2个部分光信号对应空间距离除以光信号的时间延迟计算了等离子体子弹的传播速度，等离子体子弹速度的量级为105m／s.对等离子体子弹速度的空间分布研究发现，同一电压下，随着距针尖距离的增加，等离子体子弹速度减小；同一位置处，外加电压高时的等离子体子弹速度小于外加电压低时的等离子体子弹速度；相同电压下，针板间距大的等离子体子弹速度大于针板间距小的等离子体子弹速度；针尖直径不同在相同电压时，同一位置处的等离子体子弹速度随着针尖直径增大而增大，并且随着远离针尖等离子体子弹速度趋于相等.利用光谱仪对大气压长间隙空气介质阻挡放电产生的等离子体发射光谱（300～850nm）进行了测量，发现放电等离子体中存在OH自由基、氧原子等多种活性粒子，该放电研究在生物医疗领域具有潜在的应用价值.

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