针板结构Trichel脉冲放电的光学特性

2023-10-09虞浩章王非凡赵建勋王绥凯何寿杰

光谱学与光谱分析 2023年10期

虞浩章,王非凡,赵建勋,王绥凯,何寿杰,李庆

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

引言

电晕放电是气体介质在不均匀电场下的局部自持放电。电晕放电产生的等离子体电子密度高、能量大,可以将大分子污染物电离、降解到原子态,安全可靠且对环境没有副作用,在有害气体降解和材料制备等领域已得到广泛应用[1-3]。

目前实验中对Trichel脉冲的研究主要包括其伏安特性曲线、电流和电压波形以及放电图像等,而对于其发射光谱的研究较少。发射光谱法是一种常用的等离子体探测手段,通过发射光谱可以计算得到电子激发温度、分子振动温度和电子密度等特征量,从而可以进一步揭示其放电机理。本文利用针板电极结构在空气环境下研究了Trichel脉冲的放电特性,测量得到了电晕放电的发光图像和发射光谱,并通过发射光谱计算得到了分子振动温度、转动温度和电场强度等参量。

1 实验部分

图1为针板电极放电实验装置图。针板电极放电单元的阴极为曲率半径σ=270 μm的不锈钢针,阳极为直径D=3 cm的圆形钼片,阴极与阳极间距d=1 cm。实验研究表明,当气压较低时(几百帕),Trichel脉冲更加稳定和规则,因此放电单元置于一压强可调的真空腔室内。针板电极的阴极通过一个阻值为5 MΩ的限流电阻R1与负直流高压电源相连,阳极通过一个阻值为10 kΩ的采样电阻R2接地。限流电阻和测量电阻端的平均电压和瞬时电压由高压探头V1、V2测量得到。平均电流值可以用测量电阻端的电流表A直接测量得到。通过CCD相机拍摄放电的发光图像,通过光谱仪采集放电中的发射光谱。光谱仪通过透镜采集针尖附近位置的发射光谱。透镜距离针尖约为10 cm。气体环境为空气,气压为600 Pa。

图1 实验装置图Fig.1 Schematic of the discharge system

2 结果与讨论

2.1 伏安特性和放电图像

图2为针板电极放电的伏安特性曲线。在本实验条件下,随着平均电流的增加,在测量范围内整个V-I特性曲线呈现出Trichel脉冲和正常辉光放电两种放电模式。部分文献报道在Trichel脉冲模式放电前一阶段电流更低时存在一汤生放电模式,而在本实验中没有测量得到此阶段。这主要是由于本实验气压较高和限流电阻较低,放电击穿后直接过渡到Trichel放电模式。由于Trichel脉冲阶段电流和电压均呈周期性变化,因此图2中此阶段电流和电压均为周期平均值。在平均电流I=20～160 μA范围内,为Trichel脉冲放电模式;平均电流I=200～300 μA范围内,为无脉冲的正常辉光放电阶段。在Trichel脉冲阶段,极间电压随着平均电流的升高而降低。正常辉光放电阶段,随着平均电流增加,极间电压基本保持不变。

图2 放电的伏安特性曲线Fig.2 Voltage-current curve of discharge

图3为不同平均电流时的放电发光图像。由图可知,不同平均电流的发光图像从定性角度而言是相似的。根据从针尖到阳极平板区域的发光强度差异可以分为负辉区(NG)、法拉第暗区(FDS)、正柱区(PC)和阳极辉区(AG),如图3(d)所示。在阴极针体表面,畸化电场使得电子获得了很大的能量,由于高速电子碰撞电离截面很小,故在阴极表面不发光。在负辉区,电子在碰撞过程中能量被消耗,气体得到有效电离和激发,进而形成发光。在法拉第暗区,由于空间电场低于畸变之前的电场,故该区域电离和激发过程很低,因此形成暗区。在正柱区,电子向阳极运动过程中与分子发生非弹性碰撞,接近正离子团中心,电场迅速上升,电子获得动能后电离效应增强,形成正柱区发光。由于在阳极附近存在较强的电场,因此阳极附近发光也较强。

图3 不同平均电流时的放电发光图像Fig.3 Discharge images at different average discharge current

另外,随着平均电流的增加,电晕放电分区也发生明显变化。平均电流I=20 μA时,NG、PC区域发光较为微弱,阴极针尖处放电表现为微弱、模糊的光晕,阳极附近发光不明显。电流I>20 μA,针尖附近、正柱区以及阳极表面的发光明显增强。随着平均电流进一步升高,NG区域体积基本保持不变,FDS区域的长度逐渐增加,PC区域长度逐渐缩小,NG和PC区的发光强度不断上升。最后,如图3(f)所示,在Trichel脉冲消失时,负辉区发光向阴极针尖收缩,正柱区向阳极板贴近,并且两个区域发光明显增强。这表明,Trichel脉冲消失时阴极针与阳极板附近均伴随有电场强度和电子能量的骤增,放电模式由不稳定的放电阶段过渡到稳定的正常辉光放电阶段。

2.2 发射光谱

图4 (a) 平均电流I=100 μA时放电发射光谱;(b) 不同平均电流时的发射光谱Fig.4 The spectrum of discharge at average discharge current I=100 μA

分子的转动温度和振动温度是描述等离子体性质的两个重要参数。激发态粒子的产生主要是由电子和分子碰撞激发产生的,因此振动温度与电子温度和电子密度密切相关。平动与转动间的能量交换非常迅速,使得转动温度与分子温度接近,在局部热力学平衡条件下,可以用转动温度Tr近似代表气体温度。本文参考文献[11-12]利用实验测量得到的氮分子N2(C3Пu→B3Пg,0-2、1-3、2-4) 光谱与Spectiar软件模拟得到的光谱进行比较计算得到了氮分子的振动温度Tv和转动温度Tr。图5为平均电流I=100 μA时的实验光谱和拟合光谱。如图5所示,实验测量光谱曲线与模拟光谱曲线具有较好的吻合性,模拟得到的转动温度为438 K,振动温度为4 325 K。

图5 N2(C3Пu→B3Пg) 实验与拟合光谱Fig.5 The experimental and fitted spectra of N2(C3Пu→B3Пg)

本文同时计算得到了不同平均电流时N2的振动温度和转动温度,如图6所示。在本实验测量范围内,分子振动温度为3 900～4 500 K。在平均电流为40～160 μA范围,即Trichel脉冲阶段,分子振动温度随着平均电流的增高先快速上升,然后逐渐变缓。当Trichel脉冲消失时,分子振动温度会出现较为明显的升高,如图6(a)中红色箭头所示。对于分子转动温度同样随平均电流的增加而升高,但是变化较小,由40 μA时的430 K增加到280 μA 时的447 K,只增加了17 K。这说明针尖附近气体温度随电流的升高变化不明显。

图6 不同平均电流时N2分子(a)振动温度和(b)转动温度Fig.6 (a) Vibrational temperature and (b) rotational temperature of N2 as function of average discharge current

已有文献表明,利用氮分子离子谱线391.4 nm和氮分子第二正带系谱线394.2 nm强度比可以计算得到电场强度[13]。图7为计算得到的不同平均电流时的电场强度。随着平均电流的升高,电场强度随之增强。当Trichel脉冲消失时,电场强度出现一明显的升高。利用此方法计算得到的电场强度范围为145～190 kV·m-1。当放电处于Trichel脉冲模式时,在大气压空气环境下(1.01×105Pa) 模拟得到的针尖附近的电场强度约为2.5×107V·m-1[14]。按照气体放电理论,不同气压下放电的击穿和维持所需绝对电场数值存在很大差别,但是约化电场强度相差不大。本实验气体压强为600 Pa,计算得到的特里切尔脉冲模式下约化电场强度E/P为0.23～0.31 kV·mPa-1。而文献[15]数值模拟值得到的大气压下约化电场强度为0.25 kV·mPa-1。因此实验测量结果和模拟结果相符合。

图7 不同平均电流时的电场强度Fig.7 Electric field at different average discharge current

分子的电离和激发主要是由电子碰撞分子产生。当平均电流比较低时,针尖附近的电场强度较弱。而电子能量的提升主要是由电场加速电子产生的,因此电子能量也较低,进而造成电离和激发均较弱。因此当电流较低时处于激发态的分子数量较少,振动和转动温度较低,针尖附近发光较弱。由图2可知,当平均电流升高即放电强度升高时,由于外部限流电阻的作用极间电压反而降低。这说明此阶段放电的维持与外加电压关系不大,放电强度的增强主要受空间电荷层的影响。此阶段随着电流的增加,阴极附近正电荷层不断增强,电势降升高,相应的电场强度升高。电离和激发速率升高,激发态粒子密度和分子振动温度相应升高,针尖附近发光和光谱强度也随之增强。由于针尖附近电子能量增加,运动速度增快,因此碰撞过程中传递给气体分子的能量也增大,导致转动温度升高。针尖附近电势降的升高造成FDS区电势降和电场强度相应降低,电子需要经过较长的距离才能获得足够的能量产生电离和激发,因此FDS区域长度随着平均电流的升高而增长。当Trichel脉冲消失时,针尖附近电场强度出现一明显升高,因此电子能量和电子密度也随之突变升高,进而造成激发态粒子数目升高,因此发光强度和振动温度随之出现跃变增加,如图3(f)和图6(a)所示。同时阴极鞘层和阳极鞘层宽度会出现突然降低,因此发光出现向针尖和阳极板的迅速收缩,FDS区域长度出现突然的增加。当放电过渡到正常辉光放电模式后,阴极附近电场强度和电子能量升高不再明显,此阶段电流的升高主要依靠放电面积的增加[15],因此与Trichel脉冲放电阶段相比,分子振动和转动温度、电场强度增长速度均变缓。