氧气含量对氦氧等离子体射流特性影响

黄 清， 魏 旭， 许建刚， 周志成

(1.国网江苏省电力公司，江苏 南京 211100； 2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

氧气含量对氦氧等离子体射流特性影响

黄 清1， 魏 旭1， 许建刚1， 周志成2

(1.国网江苏省电力公司，江苏 南京 211100； 2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

大气低温等离子体射流具有成本小、温度低等特点，获得了广泛的工业应用。采用高压高频交流电源，通过PC控制系统调节氦气和氧气的比例，建立了等离子体射流试验系统。利用高速相机获得了放电图像，测量了射流发光长度和放电起始电压，系统分析了氧气含量对氦氧等离子体射流特性的影响。研究结果表明，氧气会抑制放电过程的发展，进而对等离子体射流的特性造成影响，使得等离子体射流的发光强度和长度大大降低；放电起始电压增大，放电频率增大，放电电流尖峰数值增大，而放电功率则没有太大变化；He和N的光谱强度随氧气含量增大而减小，O的光谱强度呈现先增大后减小的趋势。

等离子体射流； 氦氧等离子体； 氧气含量； 放电起始电压； 射流发光长度

0 引 言

大气压低温等离子体射流(atmospheric pressure plasma jet，APPJ)能够在开放空间中产生气体温度接近于室温的等离子体射流[1-5]。与传统等离子体技术相比，具有应用成本小，射流温度低等特性，在材料表面处理和生物医学领域有着广泛的应用，已成为近年来等离子体方向的研究重点之一[6-10]。自1992年日本东京工业学院(Tokyo Institute of Technology)Koinuma等人首次报道APPJ以来，已经发明了多种不同的APPJ装置，如等离子体刷、超长等离子体柱、大面积阵列式 APPJ、等离子体针等[11-13]。

德国的 Teschke 建立了APPJ实验系统，分析表明外表面双电极结构APPJ的射流长度主要取决于气体浓度，利用处于层流状态的 APPJ将活性物质的能量传递给处理对象；康以蒲、张冠军等通过实验与仿真相结合的方法，探讨了气流、喷口外部气体环境对 APPJ 长度等参数的影响；卢新培针对大气压非平衡等离子体射流研究进行了详细的阐述，综合分析了几种以惰性气体、氮气和空气作为工作气体的典型的NAPPJ，并概括了APPJ的医学应用现状。目前对于APPJ的产生机理尚不完全清楚，对射流的关键参数等的控制研究仍有欠缺[14-18]。

本文采用高压高频交流电源，通过PC控制系统调节氦气和氧气的比例，建立了等离子体射流试验系统。利用高速相机获得了放电图像，测量了射流发光长度和放电起始电压，系统分析了氧气含量对氦氧等离子体射流特性的影响。

1 实验装置与测量方法

本文建立了等离子射流系统，如图1所示。其中，交流电源为幅值0～8 kV，频率为5 kHz。通过PC控制系统调节氦气和氧气的比例。空腔立方体为射流装置的主体部分，采用有机玻璃组成。空腔内部后壁固定一金属铜块，一方面与高压电极相连，另一方面用于固定射流喷头的针状电极。该射流喷头为石英玻璃圆管，其内径为4.5 mm，壁厚为1 mm。石英玻璃管中心是直径2 mm的铜制针状高压电极，针状电极头部距离石英玻璃管口15 mm。石英玻璃管外侧缠绕有15 mm宽的铜箔作为地电极，地电极前端距离石英玻璃管口10 mm。

等离子体射流图像采高清相机(Nikon, D300, CMOS sensor)拍摄得到，相机曝光时间2 s，以射流喷头直径为标尺获得射流长度。放电电压由高压探头(Tektronix P6015A，衰减比1000∶1)测量得到，通过测量无感电阻(30 Ω)两端电压，计算得到放电电流。放电功率则通过测量放电电压和串联在回路中的电容两端电压所形成，利用李萨育图形得到。等离子体射流的温度和光谱特性由光纤温度传感器(opSens)和两光栅光谱仪(Princeton Instruments，Acton-SP2500)发射光谱进行诊断。光纤探头垂直插入等离子体火焰中，距离射流喷头0.5 cm，光谱仪探头与射流装置玻璃管垂直放置，与玻璃管口轴向距离为1 cm，与玻璃管中心轴线径向距离为1.5 cm。

图1 氦氧等离子体实验系统Fig.1 Experiment setup

2 实验结果与讨论

2.1 射流图像

实验中氦氧混合气体流量为6 L/min，其中氧气体积分数分别设定为0，0.75%，1.5%，2.25%，3%，分析U=8 kV，11 kV，14 kV(峰峰值)时的等离子体射流图像，并测量射流长度，其结果如图2所示。

图2 氦氧等离子体射流Fig.2 Plasma jet images and the length of plasma jet

由图2可知，氧气含量较低时，等离子体射流发光明显，根部呈现亮白色，向头部发展过程中逐渐变为蓝白色。随着氧气含量的增大，射流亮度迅速降低，颜色也由明亮的蓝白色逐渐向较暗的淡紫色转变。由于氧气呈现电负性，会吸附空间中的电子，减少电子碰撞过程，阻碍放电的发展，由各活性粒子及其跃迁过程所导致的电磁辐射在总体上减弱，导致放光强度减弱。随着氧气含量的增大，射流长度近似呈线性减小，且电压越高，减小的速度越慢。分析可知，氧气含量增大后，放电受到抑制，产生的活性粒子数目在总体上减少，活性粒子随工作气体喷出管口后，在较短的距离内就消失了，使得等离子体射流的长度变短。电压的提高促使放电剧烈的发生，氧气对放电的抑制作用被抵消，且电压越高，这种抵消作用越明显，氧气含量的变化在放电过程中起到的影响越来越小。

2.2 电学特性

不同氧气含量下的放电起始电压如表1所示。

该电压以放电电流中出现明显尖刺时的电压为准。由表可知，随着气体中氧气含量的增大放电起始电压不断增大，体现了氧气对放电的抑制作用。由于电负性的氧气会吸附空间中的电子，导致电子碰撞过程减弱，削弱Townsend过程，使得放电起始电压增大。

表1 放电起始电压

等离子体射流放电电流较为复杂。不同氧气含量下的放电电流波形如图3所示(U=5 kV)。

图3 氧气含量对放电电流影响Fig.3 Effect of oxygen content on the discharge current

图4 电流正半周期初期电荷积累现象Fig.4 Charge accumulation at the beginning of the positive half cycle of the current

随着氧气含量的增大，放电电流的脉宽逐渐变小，由较为平缓的连绵波形逐渐变为密集的尖峰波形。表明射流装置中针电极与地电极之间的放电通道持续时间随着氧气含量的增大而逐渐减小。因为氧气具有电负性，能够吸附空间电子，导致放电通道在短时间内消失，形成窄脉宽的尖峰电流。

与此对应，放电电流随氧气含量增大略微增大。由图5可知，通入氧气后放电功率P基本不变，放电过程中流过的电荷量q也基本不变。由前文可知，由于氧气对放电的抑制作用，放电尖峰电流的持续时间随氧气含量的增大而减小。后者的作用效果使电荷传导的时间变短，导致放电电流增大。

在电流正半周期初期具有多个明显电流尖峰，其幅值通常大于电流负半周期的最大值，表明这一阶段其放电过程得到了增强。在电流负半周期过程中，空间中电子向地电极移动，正离子向高压电极移动。在负半周期结束正半周期开始时，阻挡介质石英玻璃上积聚了一定量的负电荷，这些负电荷与外加电场叠加，加强了空间电场，如图4所示。由于这些电荷需要在放电中释放掉，增大了放电的电荷量，使得正半周期初始放电增强，放电电流较大。此后进入正常放电阶段。在正半周期放电过程中，与负半周期相反，空间中正离子向地电极移动，电子向高压电极移动。由于离子的移动速度慢于电子，因此阻挡介质上积累的正电荷较少，所以在下一个负半周期开始阶段没有明显的放电增强现象。

基于李萨育图形，获得到不同电压与氧气含量下的等离子体射流放电功率，如图5所示。

图5 放电功率Fig.5 Discharge power

由上图可知，等离子体射流的放电功率较小，为瓦级。电压对放电功率影响较大，氧气含量对放电功率影响相对较小。这是由于随着氧气含量的增大，放电电流中尖峰电流的幅值和放电频率均增大，但单次放电时间在缩短(图3)，导致放电功率变化较小。

2.3 光谱特性

本文利用光纤传感器和光栅光谱仪得到了等离子体射流光谱特性，如图6所示。

氦氧等离子体射流光谱中存在7条明显的谱线，分别为777.3 nm和844.6 nm(O)，337.3 nm和357.6 nm，674 nm(N2)，667.8 nm和706.4 nm(He)。上述谱线的强度随氧气变化的规律如图7所示。

由图7可知，随着氧气含量的增大，N2和He谱线强度明显下降，除He波长为706.4 nm谱线外，其余谱线在氧气含量为2.25%时已经完全和背景噪声混杂在一起难以分辨。这表明随着氧气含量的增大，空间中的碰撞过程减弱，发生跃迁反应的激发态N2，He粒子数目减小，所以光谱强度减弱。

对于O波长为777.3和844.6 nm的谱线，当氧气含量增大时，光谱强度先上升，后下降。当氧气含量为零时，此时只有外部环境中的氧气参与放电过程，随着氧气的加入，工作气体中的氧气和环境气体中的氧气同时参与放电过程，空间中由于氧含量的增加使得O发射光谱增强。当氧气含量进一步增大时，由于氧气吸附空间中的电子，碰撞过程减弱，所以O的光谱强度下降。

图6 氦氧等离子体射流光谱图Fig.6 Spectrum of helium oxygen plasma jet

图7 氧气含量对光谱强度影响Fig.7 Effect of oxygen content on the spectrum

3 结 论

(1)氧气含量的增加使得氦氧等离子体射流长度减小，发光亮度降低。氧气含量同时对于放电电流有较大影响，随着氧气的增多，放电频率、尖峰电流、起始电压会明显增大。

(2)由于氧气呈现电负性，会吸附空间中的自由电子，导致放电受到抑制，使得等离子体射流参数发生较大改变。随着氧气含量的增大，N和He的光谱强度随之减小，而O的光谱强度则呈现先增大后减小的趋势。

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Effect of Oxygen Content on Characteristics of Helium Oxygen Plasma Jet

HUANG Qing1, WEI Xu1, XU Jiangang1, ZHOU Zhicheng2
(1. Jiangsu Electric Power Company of State Grid, Nanjing 211100, China； 2. Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China)

With low cost and temperature, plasma jets, as a typical atmospheric pressure plasma, have found extensive industrial applications. In this paper, a series of experiments have been performed to investigate the influences of oxygen content on the characteristics of helium oxygen plasma jet. The plasma jet experimental system is built by using the alternating current power supply with high voltage and frequency and adjusting the ratios of helium and oxygen by PC control system. The discharging image, plasma jet length and inception voltage are then acquired by a high-speed imaging system. The experimental results indicate that the presence of oxygen can restrain the discharging, and then, it will affect the characteristics of plasma jet significantly. As a result, the luminance and length of plasma jet are remarkably reduced. Meanwhile, the inception voltage, the discharging frequency and the peak of current get increased. The power of the plasmas jet, however, has a minor variation only. Moreover, as the increase of oxygen content, the spectrum intensity of He and N declines, while the spectrum intensity of O increases firstly and then decreases.

plasma jet; helium oxygen plasma; oxygen content; inception voltage; plasma jet length

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.09

2016-09-29.

TM89

A

1007-2691(2017)04-0057-05

黄清(1968-)，男，高级工程师，研究方向为高电压绝缘技术及工程管理；周志成(1977-)男，教授级高工，研究方向为高电压绝缘技术。