超长射流等离子体在介质管内的传播机制

李永辉， 董丽芳， 甘延标

(1. 北华航天工业学院 基础部, 河北 廊坊　065000；　2. 河北大学 物理科学与技术学院, 河北 保定　071002)

超长射流等离子体在介质管内的传播机制

李永辉1*， 董丽芳2， 甘延标1

(1. 北华航天工业学院 基础部, 河北 廊坊065000；2. 河北大学 物理科学与技术学院, 河北 保定071002)

利用交流驱动的单针射流等离子体装置，在介质管内产生了可以沿着介质管任意弯曲的超长射流等离子体，且可以喷射到介质管外的空气当中。利用高速相机对介质管内等离子体的传播过程进行拍照，研究了这种超长等离子体在介质管内的传播机制。研究发现，该装置在大气压下产生的等离子体长度可以达到约85 cm。在外加电压的正、负半周期，介质管内的等离子体具有不同的形貌和传播机制。正半周等离子体是以 “等离子子弹”的方式向前传播，而负半周是以连续模式向前传播。分析发现，放电形成的空间电荷与介质管壁上的壁电荷之间形成的电场，是影响介质管内等离子体传播的主要因素。

射流等离子体； 单针放电； 等离子子弹

1　引　　言

大气压下非平衡等离子体因为不需要昂贵的真空设备，近年来引起了人们的广泛关注[1-5]。射流放电是产生大气压非平衡等离子体的重要方法。射流放电可以将放电产生的等离子体直接喷射到外界空气中，这样就摆脱了放电结构的限制，因此具有广阔的应用前景[6-11]。但是由于大气压下气体击穿电压高，而且由于气体的扩散，大气压下射流等离子体长度一般只有几个厘米，如何在大气压下产生大体积的等离子体成为目前研究的重要课题。介质管内的放电[12-15]可以减少气体的扩散，降低放电电压，因此在介质管内容易产生大体积的等离子体。Li Shouzhe等[14-15]在玻璃管内得到了63 cm长的弧光等离子体， Li Xuechen等[16]在喷枪放电的上行区的塑料软管内也得到了超长的等离子体， 另外Pointu[17]、Yoshiki[18]等利用绝缘管内等离子体进行了杀菌以及沉积薄膜的研究。以往大部分研究者产生的超长等离子体都是封闭在绝缘管内部，而不能喷射到外界大气当中。本工作利用介质管产生的射流等离子体达到了约1 m的长度，等离子体传播方向可以沿着介质管任意弯曲，并且能够喷射到外界空气当中，这对于等离子体输运有着重要意义。

射流等离子体一般认为是在外加电场驱动下以“等离子子弹”的模式向前传播。但是射流等离子体在绝缘管内的传播远远偏离了外加电场的方向，甚至与外加电场反向，这说明介质管内的射流等离子体并不是完全依靠外加电场的驱动。Hong等[12-13]用圆柱电容器的模型对介质管内的等离子体长度进行了分析，指出介质管电容越大，绝缘管内等离子体越长。Li Shouzhe等[14-15]指出沉积在介质管壁的电荷才是形成超长等离子体的原因。Li Xuechen等[16]利用光电倍增管研究了绝缘管内上行区放电等离子体的传播，发现管内的等离子体是以“等离子子弹”的方式传播，但是没有给出直观的传播图像,而且只是对上行区的等离子体进行了研究。以上研究者主要是对封闭绝缘管内的情况进行了研究，而不是喷射到外界大气中的情况。弄清楚在开放环境下超长等离子体在介质管内的产生和传播机制对于大规模等离子体的产生和输运具有重要意义。本工作利用介质管内等离子体的光信号以及高速相机拍摄的传播图像对这种超长等离子体的传播机制进行了研究。

2　实验装置

图1为实验装置示意图。实验装置的主体是一支医用7号注射针头(内径0.7 mm、外径1.0 mm的不锈钢空心针)，针头外套一根塑料输液软管或85 cm长的玻璃管(内径3.5 mm、外径5.5 mm)，针头与玻璃管之间密封。不锈钢针管与交流高压电源(输出电压幅值0～15 kV可调，频率45 kHz)输出端连接。工作气体为氩气，氩气通过流量控制计从空心针流入介质管中，在介质管中放电形成等离子体。电源输出电压通过高压探头(Tektronix P6015A 1000X)分压后接入示波器(Agilent, DSO6054A, 500 MHz)测量记录。放电光信号利用光电倍增管(滨松H7826)测量，并连接示波器显示记录。放电等离子体的发射光谱利用光谱仪(Acton 2750，狭缝宽度50 μm，光栅300 G/mm)采集，并连接电脑记录。放电图像利用高速相机(ICCD:HSFC Pro)拍摄，并连接电脑存储。

图1　实验装置示意图

3　实验结果与讨论

3.1放电光信号与放电照片

首先，我们在针管外套了一根医用输液塑料软管，通入氩气。随着电压的升高，在塑料管内就会产生几十厘米长的等离子体，而且等离子体可以沿着塑料管的弯曲方向任意传播，如图2所示。可见利用本装置在大气压下的介质管内可以产生超长的等离子体，并且等离子体可以沿着介质管的弯曲方向任意传播，这对于等离子体的输运具有重要意义。为了便于实验测量，我们研究了直玻璃管中的放电。调节气体流量为1 L/min，升高电压到7.8 kV，玻璃管中有等离子体产生。在没有玻璃管时，该流量下产生等离子体的最低电压为10.9 kV。可见套上玻璃管之后，放电起始电压明显降低。随着电压的升高，玻璃管中等离子体长度逐渐增加。当电压增加到14 kV时，等离子体长度增加到85 cm并且从玻璃管口喷出，如图3所示。

图2单针射流等离子体在塑料输液管内传播的照片,数码相机拍摄，曝光时间1/8 s。

Fig.2Image of single needle discharge in dielectric tube taken by digital camera with exposure time 1/8 s

图3单针射流等离子体在玻璃管内传播的照片。玻璃管长85 cm，外加电压14 kV。

Fig.3Image of single needle plasma jet in the glass tube. The length of tube is 85 cm and the applied voltage is 14 kV.

为了方便拍照以及光谱采集，我们降低电压使玻璃管中等离子体长度缩减到10 cm，此时外加电压与光电倍增管信号如图4所示。从放电光信号可以看出，光信号在外加电压正负半周各有一个明显脉冲，正半周脉冲宽度约为4 μs，负半周脉冲宽度约为6 μs。这与没有介质管情况下的放电光信号有明显区别。在没有介质管的情况下，负半周只有微弱的放电，而正半周放电明显，但是正半周放电时间只有几百纳秒[19]。为了弄清介质管内正负半周放电的传播机制，我们利用高速相机分别对正负半周放电图像进行了拍摄，如图5所示。正、负半周放电照片的曝光时间都为5 μs，拍摄的起始时刻为正、负半周放电的开始时刻，如图4中所示，a、b两点分别为正负半周放电的起始电压。从图5可以看出，正半周放电形成的等离子体长度比负半周放电长，而且正负半周放电有一个共同的特点：放电并不是沿着绝缘管水平向前传播，而是略有弯曲。

图4外加电压幅值为10 kV时的外加电压波形和等离子体发光信号

Fig.4Waveforms of applied voltage and optical signal of discharge plasma with the applied voltage of 10 kV

图5高速相机拍摄的正负半周等离子体照片，曝光时间5 μs。上层为正半周放电图像，下层为负半周放电图像。

Fig.5Images of positive and negative half cycle discharges taken by ICCD camera with exposure time of 5 μs. The upside image of positive half cycle discharge, the bottom image of negative half cycle discharge.

3.2正、负半周放电等离子体在介质管内传播过程

为了进一步弄清介质管中等离子体的传播机制，我们对正负半周的放电进行了更为细致的拍摄。我们利用高速相机，拍摄了正、负半周放电的发展过程，如图6、图7所示。图6展示了在外加电压正半周时的介质管内等离子体的发展过程。从图6(a)～(e)可以看出，随着电压的增加，在介质管内产生了等离子体。电压继续升高，等离子体向前发展，长度达到3 cm，等离子体在此阶段的向前发展速度约为3.0×106cm/s。从图中可以看出：在开始阶段，等离子体沿着玻璃管中心向前发展，没有发生弯曲。随着电压的继续升高，到达图6(f)所示时刻，等离子体头部放电开始熄灭，但同时在熄灭位置产生一个继续向前发展的“等离子子弹”，这个新产生的“等离子子弹”向着管壁方向略有弯曲，这与没有介质管情况下，其他研究者拍摄到的球状“等离子子弹”略有区别。从图6(g)～(m)可以看出,随着时间的推移，新形成的“等离子子弹”继续向前传播，从图中可以计算出“等离子子弹”的传播速度约为5×106cm/s。另外从图6中可以看出，随着等离子体子弹的向前传播，初始形成的等离子体开始熄灭，熄灭位置发生在3 cm处，也就是“等离子子弹”形成的位置，可见初始等离子体的熄灭并不是在针尖电极附近发生。图7为负半周等离子体发展过程，从图7中可以看出负半周放电形成的等离子体与正半周有明显区别。随着外加电压的升高，负半周初始的放电通道形成。随着电压的继续升高，放电通道也逐渐增长，等离子体长度可以达到约7 cm，如图7(h)所示。从图中可以计算负半周等离子体的发展速度约为1.5×106cm/s。另外从负半周放电图像可以看出，随着远离针尖，放电通道向前传播过程中稍有弯曲，并且通道直径略有增加。到达图7(i) 后，放电通道开始在针尖电极附近熄灭，熄灭部分逐渐向着远离针尖方向发展，但是针尖电极位置的放电一直没有熄灭。比较图6和图7可见，正半周的等离子体长度比负半周要长，正半周随着初始放电通道的熄灭，会产生“等离子子弹”向前传播，而负半周产生了连续向前发展的等离子体。另外，正负半周放电的熄灭位置也有不同，正半周放电熄灭位置在放电通道的中部，而负半周放电熄灭发生在针尖电极附近。

图6高速相机拍摄正半周等离子体发展过程，曝光时间100 ns，每张照片间隔200 ns。

Fig.6Images of the propagation of positive half cycle discharge taken by ICCD with the exposure time of 100 ns and the interval between two image of 200 ns

图7高速相机拍摄负半周等离子体发展过程，每张照片曝光100 ns,间隔300 ns。

Fig.7Images of the propagation of negative half cycle discharge taken by ICCD with the exposure time of 100 ns and the interval between two image of 300 ns

图8　正半周放电，玻璃管内电荷分布示意图。

本装置产生的等离子体可以沿着介质管的弯曲方向任意传播，甚至与外加电场方向相反，这说明外加电场并不是主要驱动因素，因此我们对介质管内的空间电荷和介质管上的壁电荷进行了分析。在外加电压的正半周，此时针尖为阳极，随着电压升高，针尖周围的气体被电离，电子在阳极针尖的吸引下，会向针尖移动，被金属针尖吸收；正离子由于质量较大，基本保持位置不变，形成空间正电荷。空间正电荷形成的附加电场与外加电场同向，促进了放电的产生与发展，如图8所示。如果没有玻璃管，随着远离针尖，外加电场逐渐减弱，放电形成的等离子体不能持续向前发展。本套装置在没有玻璃管的情况下形成的等离子体长度只有约3 cm。针尖外套上玻璃管之后，当针尖为阳极时，随着电压增加，玻璃管内壁上会有负的感应电荷出现。初始放电形成的空间正电荷与管壁上感应负电荷之间形成新的附加电场，附加电场促使“等离子子弹”的形成和向前传播。“等离子子弹”在管内传播过程中，由于管壁上电荷对于空间电荷的吸引作用，导致绝缘管内的“等离子子弹”会向管壁弯曲。在外加电压的负半周，针尖为阴极，随着电压升高，针尖附近的气体被电离。电离之后，电子要远离针尖移动，带正电的离子由于质量较大，形成空间正电荷。当针尖为阴极时，在玻璃管内壁上会出现感应正电荷，初始放电形成的空间正电荷与绝缘管壁上的感应正电荷之间形成的电场相互抵消，这就导致负半周放电等离子体长度短，而且向前传播过程中不能形成“等离子子弹”。但是由于玻璃管的存在，工作气体在管内的扩散要比空气中小得多，所以正负半周的放电起始电压明显降低，放电形成的等离子体在绝缘管中的长度都要比在空气中放电形成的等离子体长度长很多。

4　结　　论

利用单针放电装置，在开放大气环境下的介质管内得到了超长的射流等离子体。通过对正负半周的等离子体传播过程研究，发现正负半周的等离子体在介质管内具有不同的形貌和传播机制。在外加电压的正半周，介质管内等离子体以“等离子子弹”的形式向前传播，而负半周形成的等离子体则是以连续模式向前传播。通过分析，发现放电过程中形成的空间电荷和介质管上的壁电荷之间形成的附加电场是影响介质管内等离子体传播的主要因素。本工作对于产生大规模等离子体以及等离子体的远距离传输有一定的借鉴意义。

[1] PEI X, LIU J, XIAN Y,etal.. A battery-operated atmospheric-pressure plasma wand for biomedical applications [J].J.Phys. D:Appl.Phys., 2014, 47(14):145204-1-6.

[2] TANG J, DUAN Y X, ZHAO W. Characterization and mechanism studies of dielectric barrier discharges generated at atmospheric pressure [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 96(19):191503-1-3.

[3] STAROSTIN S A, PREMKUMAR P A, CREATORE M,etal.. High current diffuse dielectric barrier discharge in atmospheric pressure air for the deposition of thin silica-like films [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 96(6):061502-1-3.

[4] BECKER K H, SCHOENBACH K H, EDEN J G. Microplasmas and applications [J].J.Phys. D:Appl.Phys., 2006, 39(3):R55-R70.

[5] MARIOTTI D. Nonequilibrium and effect of gas mixtures in an atmospheric microplasma [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 92(15):151505-1-3.

[6] KIM S J, CHUNG T H, BAE S H. Striation and plasma bullet propagation in an atmospheric pressure plasma jet [J].Phys.Plasmas, 2010, 17(5):053504-1-5.

[7] WALSH J L, IZA F, JANSON N B,etal.. Three distinct modes in a cold atmospheric pressure plasma jet [J].J.Phys. D:Appl.Phys., 2010, 43(7):075201-1-14.

[8] 江南,曹则贤. 一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究 [J]. 物理学报, 2010, 59(5):3324-3330.

JIANG N, CAO Z X. Experimental studies on an atmospheric pressure He plasma jet [J].ActaPhys.Sinica, 2010, 59(5):3324-3330. (in Chinese)

[9] SANDS B L, GANGULY B N, TACHIBANA K. A streamer-like atmospheric pressure plasma jet [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 92(15):151503-1-3.

[10] XIAN Y B, LU X P, WU S Q,etal.. Are all atmospheric pressure cold plasma jets electrically driven? [J].Appl.Phys.Lett., 2012, 100(12):123702-1-4.

[11] LU X, XIONG Q, XIONG Z,etal.. Propagation of an atmospheric pressure plasma plume [J].J.Appl.Phys., 2009, 105(4):043304-1-4.

[12] HONG Y C, CHO S C, KIM J H,etal.. A long plasma column in a flexible tube at atmospheric pressure [J].Phys.Plasmas, 2007, 14(7):074502-1-4.

[13] HONG Y C, CHO S C, UHM H S. Twin injection-needle plasmas at atmospheric pressure [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 90(14):141501-1-3.

[14] LI S Z, HUANG W T, WANG D Z. Spectroscopic study of a long high-electron-density argon plasma column generated at atmospheric pressure [J].Phys.Plasmas, 2010, 17(2):020702-1-4.

[15] LI S Z, HUANG W T, ZHANG J L,etal.. Discharge characteristics of an atmospheric-pressure argon plasma column generated with a single-electrode configuration [J].Phys.Plasmas, 2009, 16(7):073503-1-6.

[16] LI X C, JIA P Y, YUAN N,etal.. Aspects of the upstream region in a plasma jet with dielectric barrier discharge configurations [J].Chin.Phys. B, 2012, 21(4):045204-1-6.

[17] POINTU A M, RICARD A, OIDC E. Nitrogen atmospheric pressure post discharges for surface biological decontamination inside small diameter tubes [J].PlasmaProcessesandPolymers, 2008, 5(6):559-568.

[18] YOSHIKI H, SAITO T. Preparation of TiO2thin films on the inner surface of a quartz tube using atmospheric-pressure microplasma [J].J.VacuumSci.Technol. A, 2008, 26(3):338-343.

[19] 董丽芳,李永辉. 大气压氩气射流等离子体放电发展速度研究 [J]. 发光学报, 2014, 35(4):476-480.

DONG L F, LI Y H. Study on propagation velocity in hollow needle to plate discharge [J].Chin.J.Lumin., 2014, 35(4):476-480. (in Chinese)

李永辉(1978-)，男，河北定州人，博士，讲师，2015年于河北大学获得博士学位，主要从事放电等离子体光谱诊断方面的研究。

E-mail: liy_hui@163.com

Propagation Mechanism of Super Long Plasma Jet in The Dielectric Tube

LI Yong-hui1*, DONG Li-fang2, GAN Yan-biao1

(1.DepartmentofBasicScience,NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering,Langfang065000,China;2.CollegeofPhysicsScienceandTechnology,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:liy_hui@163.com

Using an alternating-current driving single needle jet plasma device, we produce a super long plasma jet (SLPJ) in the dielectric tube. The super long plasma jet (SLPJ) can be arbitrarily curved along the tube and can be sprayed into the air outside the tube. Photographing the propagation process of the SLPJ in the tube helps in understanding the corresponding transmission mechanism. It is found that, under normal atmospheric pressure, the SLPJ can reach about 85 cm, and owns different morphologies and transmission mechanisms during the negative and the positive half cycles. During the positive half cycle, the SLPJ spreads forward through the way of “plasma bullet”, while through the continuous model in the negative half cycle. Analysis reveals that, the electric field, produced by the space charge due to discharge and wall charge on the dielectric tube wall, is the main reason that influences the transmission mechanism.

plasma jet; single needle discharge; plasma bullet

1000-7032(2016)05-0597-06

2015-12-31；

2016-01-23

国家自然科学基金(11175054，11375051); 北华航天工业学院博士基金(BKY-2015-05,BKY-2014-10); 河北省人才工程培养经费资助课题(A201500111)资助项目

O461.2

A

10.3788/fgxb20163705.0597