强电离放电和电晕放电两种情况下电场强度对离子浓度的影响分析

周建纲，胡枫

（1. 大连大学物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622；2. 南京邮电大学物联网学院，江苏 南京 210000）

0 引言

目前大气压非平衡等离子体已在化工工业领域有所应用[1-2]，其中形成规模的是臭氧商业生产[3]，在其它工业领域上也有很多重要应用，包括材料表面改性、静电除尘器、静电复印、静电喷涂、静电植绒及静电选别等。由于现有工业上常用的等离子体源多采用的是直流电晕放电、脉冲电晕及一般的介质阻挡放电，源内等离子体浓度低，因而制约了其被更加广泛地应用。理想效果的强电离放电大气压非平衡等离子体源，则是一个集高的效率和高的非平衡度于一体的放电装置。研究成果表明，強电离放电大气压非平衡等离子体源输出的等离子体浓度已达到1010/cm3以上[4-5]，这接近了工业、国防军事等领域对等离子体浓度的要求。本文将强电离放电和电晕放电两种情况下电场强度对离子浓度的影响进行了对比分析。

1 实验研究强电离放电的电场强度对离子浓度的影响

1.1 实验流程示意图

图1 实验流程示意图Fig. 1 Schematic diagram of the experimental flow

1.2 实验所用主要仪器

实验所用主要仪器如图2、图3所示，包括空气压缩机、过滤器、空气流量控制阀、流量计、气体均速器；压力表、 高频高压电源、大气压非平衡等离子体源、电参数检测系统、离子浓度检测仪等。自制的大气压非平衡等离子体源，管长有24.0 cm和21.3 cm两种，外径为3.85 cm；放电间隙（高）有1.00 mm和0.64 mm两种，放电间隙的宽度在5～6 mm之间不等，长度30 mm。

图2 实验设备照片（a）Fig.2 The experimental equipment photo

图3 实验设备照片（b）Fig. 3 The experimental equipment photo

1.3 离子浓度与电场强度的关系

本文中离子浓度是指（顺气流方向）距大气压非平衡等离子体源10 cm处的离子浓度。折合场强是放电电极与介质阻挡陶瓷（Al2O3）片之间放电间隙中的折合场强，即放电间隙流动空气的电场强度与空气分子数密度的比值。用Q表可以测量到放电极与接地极之间的外加交流激励电压Uext，外加激励电场强度

其中ds和dg分别为电介质层的厚度和气体放电间隙的厚度；εr为电介质的相对介电常数；气体的相对介电常数近似地取作1。进而可得到折合场强Ered。

其中n0空气被电离前气体分子的平均数密度。本实验所用的介质阻挡层厚度和放电间隙均为0.64 mm，高电压发生器输出激励电压的频率为10 kHz。

实验结果见表1及图4。

表1 折合场强对离子浓度影响实验数据Table 1 The experimental data of the reduced field intensity influence on ionic concentration（108/cm3）

图4 折合场强对离子浓度影响实验结果Fig. 4 The experimental result of the reduced field intensity influence on ionic concentration

1.4 实验结果分析

实验结果显示，当空气流量一定时，离子浓度随着折合场强增大而增大；随着空气流量的增大，这种关系依旧保持着，只不过它们的关系曲线在图中的位置向上移了，这说明对应于同一个折合电场强度，离子浓度随着空气流量的增大而增大。这可解释为在其它条件都不变的情况下，空气流量的增加意味着空气分子平均动量Pa的增加，即离子平均动量在空气流速方向分量PV的增加。结论是当空气流量为某一定值时，在不发生阻挡介质（陶瓷Al2O3片）被击穿的前提下，输出的离子浓度随着电场强度的增大而增大。

2 实验研究电晕放电的电场强度对离子浓度的影响

2.1 实验流程及所用主要仪器

实验流程见图1。实验所用仪器除大气压非平衡等离子体源外，与2.2实验所用仪器相同。本实验电晕放电大气压非平衡等离子体源是由4个金属材质结构相同气体通道上下叠放组成，每个气体通道长度为10 cm ，宽度为17 cm，高度为1.5 cm。每个气体通道内均为板线形式组成的电晕放电结构，每个气体通道内都有6 根电晕线等间距平行放置，线的直径为0.1 mm，异极距（板线间距）为0.75 cm ，相邻两板间距为1.5 cm。

2.2 离子浓度与电场强度的关系

试验是在0.1016 MPa 气压下进行的，高电压直流电源输出电压调节范围为0～26 kV。由于我们对电晕放电大气压非平衡等离子体源研究较早，本文沿用了“离子输运项”一词来表示大气压非平衡等离子体源输出等离子体浓度。离子输运项是指单位长度上输出的离子平均浓度与气体流速乘积的增量。实验结果见表2及图5。

表2 折合场强对离子输运项影响实验数据Table 2 The experimental data of the reduced field intensity influence on ionic transportation term（1010/cm3·s）

图5 折合场强对离子输运项影响实验结果Fig. 5 The experimental result of the reduced field intensity influence on ionic transportation term

2.3 实验结果分析

实验结果显示，外加激励折合电场强度对离子输运项的影响度随气体流速的增大而发生着变化。从图5中气体流速为5 m/s和10 m/s的曲线能够看出，当气体流速较小时，离子输运项随着折合电场强度Ered的增长比较平稳，平均增长率较小。而从气体流速为25 m/s的曲线能明显看出，当气体流速较大时，外加激励折合电场强度Ered对离子输运项影响在不同区域是不同的。Ered在15.0 Td～17.5 Td区间段,相应离子输运项平均增长率较小；Ered在17.5Td～22.5Td区间段,相应离子输运项平均增长率较大；Ered在25.0 Td ～40.0 Td区间段，相应离子输运项平均增长率较小。

3 结论

实验研究表明：（1）强电离放电大气压非平衡等离子体源输出的等离子体浓度要远远高于电晕放电大气压非平衡等离子体源电场强度输出的等离子体浓度（可由离子输运项换算得来）。（2）强电离放电离子浓度随着折合场强增大而增大。（3）电晕放电时，当气体流速较小时，离子输运项随着折合电场强度增大其增长率较小。而气体流速较大时，电场强度对离子输运项的影响度在不同区域是变化着的，电场强度在某个区域范围会出现离子输运项随着折合电场强度增大其增长率较大的情形，其机理及在降低等离子输出的能耗率方面是否有利用价值有待于进一步探究。