介质阻挡放电时间对放电光电特性的影响

师贵虎, 王伟伟, 刘 峰, 王 赟, 樊智慧, 梁慧敏

(河北工程大学 数理科学与工程学院,河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心,河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心,河北 邯郸 056038)

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)又被叫作无声放电,是一种典型的非平衡态气体放电[1].由于DBD可用于处理大气压下的大量气体[2],且操作简单,所以被广泛应用在臭氧合成[3-4]、杀菌[5]、紫外与真空紫外辐射产生[6]、材料表面处理[7]、气体激光器激励[8]等方面,也是目前低温等离子体研究中的重要领域之一.在放电过程中,由于离子对电极表面的轰击和热量的积累会导致电极温度升高,随着放电时间的推移会带来较大的影响[9].Xu等[10]通过功率模块给接地电极加热研究发现,当接地电极温度升高时,击穿电压下降;当功率相同时,接地电极温度越高则所需要的外加电压越小;Ichiki等[11]通过对针-板型介质阻挡放电的研究发现,随着接地电极温度的升高,等离子体的放电面积逐渐变大.然而在研究过程中学者们往往忽略了等离子体放电时间和电极温度变化对放电特性的一些影响,甚至将它们当作不影响实验结果的误差来处理.本文中,笔者通过测量不同等离子体放电时间的电信号和光谱并记录电极温度的变化,探究不同等离子体放电时间和电极温度变化对DBD放电光电特性的影响.

1 实验装置和方法

实验装置如图1所示,DBD反应装置由一个石英管、铜管和环绕在石英管上的环形铜片构成.石英管厚度为1 mm,内直径为14 mm,长为55 mm;铜管外直径为12 mm、长度为60 mm,被耐高温硅胶固定在石英管中间并通过导线与地连接.铜片宽度为10 mm,其恰好能将石英管完全包裹住,通过导线连接电源的高压极.利用红外线测温仪(Taicooen QC-1200)来对电极的温度进行监测;通过高压探头(Tektronix P6015A)测量外加电压,并通过测试电容(1 nF)测量输运电荷;通过电流探头(Pearson 2877)测量总电流.电信号通过示波器(Tektronix TDS 2024C)收集并保存.石英管里产生的等离子体,利用光学石英棱镜(ZJF40-40)进行反射并通过凸透镜进行聚焦,进入光纤光谱仪(FX4000 EX),通过电脑进行光谱采集.电源为正弦交流电,工作频率为10 kHz,放电气体为干燥的空气,工作气压为101.325 kPa.

图1 实验装置图Fig.1 Schematic Diagram of the Experimental Setup

2 实验结果与讨论

2.1 外加电压对电极温度的影响

a.接地电极; b.高压电极.图2 外加电压对DBD电极温度的影响Fig.2 Effect of Applied Voltage on the Temperature of DBD Electrodes

图2显示了不同外加电压条件下接地电极和高压电极的温度变化趋势.可以很明显地看出,在外加电压较低时,电极温度变化并不明显,接地电极和高压电极的温度变化范围大致相同;但当外加电压较高时,高压电极的温度比接地电极的温度增加得更快,这是因为高压电极的直流偏压导致更多的强离子轰击高压电极的表面,散发出更多的热量,所以温度上升的速率比接地电极更快.同样在高压的情况下,电子-中性粒子碰撞占主导地位,碰撞变得更加剧烈,等离子体加热也就越多[12],欧姆加热也较多,导致电极的温度比外加电压较小时更高;而外加电压较小时,直流偏压较少,对高压电极的影响较小,欧姆加热带给高压电极和接地电极的热量大致相同,所以在外加电压较小的情况下,高压电极和接地电极的温度变化大致相同.

2.2 等离子体放电时间对电流和电荷的影响

图3给出了在不同等离子体放电时间间隔Δt(10,30,60 s)条件下所测得的接地电极温度变化趋势.可以看出,等离子体放电时间t对接地电极温度变化有着显著的影响,等离子体放电时间越长,其电极温度变化越明显.这是因为等离子体放电时间越长,除了等离子体加热较多[12]之外,欧姆加热随着放电时间的延长变得更多,在电极上转化的热量就更多,温度也就越高.

图3 不同等离子体放电时间间隔对接地电极温度的影响Fig.3 Effect of Different Plasma Discharge Intervals on the Temperature of the Ground Electrode

不同等离子体放电时间对应的电流—电荷特性如图4所示.可知,随着等离子体放电时间的延长,输运电荷发生了变化,输运电荷由放电1 min时的最高61 nC到放电6 min时的最高72 nC,这与介质的介电常数(εd)变化有关,已有研究[13]表明,介质电容(Cd)随着电极温度的升高而升高,Cd和εd存在以下关系[13]:

(1)

其中,D表示介质层的厚度,Se表示等离子体放电区域的面积.由图3可知,随着等离子体放电时间的延长,电极温度升高导致Se增加[11]Cd增加,则由(1)可知,εd增加这有利于壁电荷在介质表面的积累[14],所以输送电荷Q增多.除此之外出现了更多的放电电流脉冲,但电流峰值减小,这与电极温度的升高有关.当电极温度升高时,击穿电压降低[10],在相同外加电压下形成了更多的放电通道,所以电流脉冲数变多,击穿时间提前,放电对应的外加电压实际上减小了,所以电流峰值变小了.

a.t=1 min; b.t=6 min.图4 不同等离子体放电时间,外加电压、总电流和输运电荷波形图Fig.4 Waveforms of the Applied Voltage,the Total Current and the Transferred Charge for Different Plasma Discharge Times

2.3 等离子体放电时间对输入功率的影响

采用李萨如图法计算DBD的输入功率P,计算公式如下:

(2)

其中T表示放电周期,Ua(t)和Q(t)分别表示外加电压和输运电荷.

a.放电时间为1,3,6 min所对应的李萨如图; b.输入功率随放电时间的变化.图5 不同等离子体放电时间,李萨如图和输入功率的变化Fig.5 Variations of the Lissajous Figure and the Input Power for Different Plasma Discharge Times

由图5可见,输入功率随等离子体放电时间的延长而增大,由t=1 min时的P=6.72 W到t=6 min时的P=7.84 W可知,输入功率与等离子体放电时间有密切关系.随着等离子体放电时间的延长,输入功率也在缓慢上升,这与图3中电极温度的变化趋势是相同的.由图4可知,随着等离子体放电时间的增加,放电通道在变多,电流脉冲数量增多,输运电荷增加,则由(2)可知输入功率也在增加.

2.4 等离子体放电时间对光谱的影响

图6 放电时间为1,3,6 min对应的发射光谱Fig.6 Optical Emission Spectra Corresponding to Discharge Times of 1,3,6 min Respectively

通过光纤光谱仪记录了不同等离子体放电时间的氮分子发射光谱的变化,如图6所示(黑色、红色、蓝色曲线分别对应t=1,3,6 min).随着等离子体放电时间的延长,氮分子第二正带系(C3u→B3g)发射光谱的谱线相对强度也在一定程度上变大了.这是因为随着等离子体放电时间的延长,电极温度和气体温度也在上升,输入功率在慢慢地增加,导致发射光谱的谱线相对强度增强.

3 结 论

1) 通过改变外加电压并记录电极温度,结果表明电极温度随外加电压的升高而升高,并且高压电极的温度比接地电极的温度上升得更快;

2) 延长等离子体放电时间,电极温度随之增加;

3) 延长等离子体放电时间,放电电流脉冲个数和输送电荷增多,电流峰值下降;

4) 利用李萨如图计算了输入功率,发现输入功率随着等离子体放电时间延长而增加;

5) 通过光纤光谱仪记录不同等离子体放电时间的发射光谱,结果表明随等离子体放电时间的延长,氮分子发射光谱的谱线相对强度增强.