低溫等離子體物理實驗教學(xué)實踐

王合英，陳國旭，葛 楠，李和平，張慧云，包成玉

（1.清華大學(xué)a.物理教學(xué)實驗中心；b.工程物理系，北京100089；2.北京舒杰特科技有限責(zé)任公司，北京100089）

1 引 言

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)宏觀體系，它與固體、液體、氣體一樣，是物質(zhì)的一種聚集狀態(tài)，也稱為物質(zhì)的第四態(tài).常規(guī)意義上的等離子體是指當(dāng)中性氣體產(chǎn)生了相當(dāng)程度的電離，帶電粒子濃度超過一定數(shù)量時，中性粒子的作用開始退居次要位置，整個系統(tǒng)將受帶電粒子的運動所支配，從而表現(xiàn)出一系列不同于尋常流體的新性質(zhì).由于電離過程中正離子和電子總是成對出現(xiàn)，二者總數(shù)大致相等，所以等離子體呈現(xiàn)宏觀電中性［1-5］.

隨著等離子體科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體放電等離子體在焊接、切割、噴涂、微納米材料合成、空氣凈化、高危有害固體廢棄物處理、空間推進(jìn)、能量轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學(xué)、國防安全等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［6-8］，有望形成支撐21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ).雖然國內(nèi)一些高校已經(jīng)相繼開設(shè)了一些等離子體基礎(chǔ)理論的課程，然而目前有關(guān)氣體放電等離子體基本特性的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)還比較薄弱［5］.根據(jù)清華大學(xué)工程物理系近幾年來開展的等離子體觀摩實驗教學(xué)的成功經(jīng)驗，清華大學(xué)物理教學(xué)實驗中心聯(lián)合北京舒杰特科技有限責(zé)任公司共同研制開發(fā)了與高校等離子體物理課程相配套的常壓低溫等離子體物理實驗教學(xué)系統(tǒng).

2 實驗教學(xué)方案設(shè)計

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

1）了解常壓低溫等離子體的概念以及其產(chǎn)生方式；

2）學(xué)習(xí)絕緣介質(zhì)層厚度以及電極間距對介質(zhì)阻擋放電的電特性的影響；

3）學(xué)習(xí)氣體流量及電源頻率對非熱電弧放電特性的影響；

4）了解表面介質(zhì)阻擋放電等離子體的產(chǎn)生，制作不同結(jié)構(gòu)的放電單元，測量其放電特性.

2.2 實驗裝置

圖1 SJ-I型常壓低溫等離子體實驗平臺及部分等離子體發(fā)生器組件照片

圖1為我們研發(fā)的SJ-I型常壓低溫等離子體實驗平臺及部分等離子體發(fā)生器組件照片.該實驗教學(xué)平臺主要由電源及等離子體發(fā)生器組件構(gòu)成，采用積木式配件搭建法，無需真空系統(tǒng)和特殊氣體的配氣系統(tǒng)，放電現(xiàn)象直觀，實驗內(nèi)容豐富，可操作性強.本文以SJ-I型常壓低溫等離子體實驗教學(xué)平臺上典型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器單元為例，結(jié)合數(shù)字示波器（Tektronix DPO4034）、高 壓 探 頭 （Tektronix P6015A）、電流探頭（Tektronix TCP202）以及光譜儀，對典型的大氣壓空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體特性進(jìn)行了實驗研究.

2.3 介質(zhì)阻擋放電實驗結(jié)果及討論

圖2給出了典型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器照片圖2（a）和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖2（b），其中電極的間距d為2.6mm，介質(zhì)層的厚度D 為1.4mm.

圖2 典型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器組建照片及其結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為相應(yīng)工況下空氣放電產(chǎn)生等離子體時的伏安特性曲線及功率-電壓曲線.實驗測量結(jié)果表明，空氣被擊穿產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電等離子體的過程可分成3個區(qū)間［如圖3（a）所示］：在T0區(qū)間，在平行板發(fā)生器兩電極間外加的電壓很小，此時在金屬電極與絕緣層之間所形成的空氣間隙處，通過的電流很小且其變化亦較小.當(dāng)進(jìn)入T1區(qū)間時，隨著兩電極間外加電壓的逐漸增大，兩極板間的電流亦隨之逐漸增大.當(dāng)外加電壓達(dá)到某一值時空氣被擊穿放電產(chǎn)生等離子體，放電進(jìn)入第三階段（T2區(qū)間），此時由于間隙間的空氣放電產(chǎn)生等離子體使得發(fā)生器兩電極間的電導(dǎo)率迅速增大，因而通過的電流也迅速增大.這一放電過程與湯生放電較為相似［4］.圖3（b）給出了這一放電過程的功率-電壓曲線，從圖中可以看到放電消耗功率隨輸入電壓的增大逐漸增大，A點為空氣擊穿放電時所需放電功率.空氣擊穿放電產(chǎn)生等離子體后，維持放電所消耗的功率較大，這與放電后放電電流的變化趨勢是一致的.

圖3 大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體伏安特性曲線及功率-電壓曲線

圖4給出了空氣擊穿放電產(chǎn)生等離子體后持續(xù)放電時（B點）的放電電壓和放電電流波形圖.典型介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)可看成是由兩金屬電極及兩電極間的空氣介質(zhì)和固體絕緣介質(zhì)構(gòu)成.由于固體絕緣介質(zhì)層的介入，在足夠大的外加電壓下，空氣首先會被擊穿產(chǎn)生放電，從而在金屬電極與固體絕緣層間形成電流通道.從等離子體放電的電流波形圖來看，其在正半周期的放電過程中所產(chǎn)生的電流脈沖信號應(yīng)處于輸入電壓增大之時，這一過程與圖4所給出的放電電流波形圖相吻合；在負(fù)半周期相應(yīng)外加電壓變化區(qū)間有相同的放電現(xiàn)象發(fā)生［4］.

圖4 大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的放電電壓和放電電流波形圖

將該實驗平臺與光譜儀配合使用還可對氣體放電等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行測量分析.圖5給出了對應(yīng)于圖3所示B點處的等離子體發(fā)射光譜圖，圖5中右上角為對應(yīng)的等離子體放電圖像.從光譜儀所采集到的等離子體在300～400nm范圍內(nèi)的發(fā)射光譜圖可以看到，空氣放電時發(fā)射光譜中存在著OH，N2等化學(xué)活性粒子的譜線，其中OH譜線和N2譜線的確定是依據(jù)文獻(xiàn)［9-10］得到的.

圖5 等離子體發(fā)射光譜圖

3 實驗教學(xué)體會

在常壓低溫等離子體實驗教學(xué)平臺上開展的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體實驗，使學(xué)生在學(xué)習(xí)等離子體物理的過程中，對等離子體自身特性及其產(chǎn)生過程有了更加直觀且深入的了解，為后期的深入學(xué)習(xí)打下了扎實的實踐基礎(chǔ).在SJ-I型常壓低溫等離子體實驗教學(xué)平臺上結(jié)合數(shù)字示波器、光譜儀、流速測量儀等測量儀器共同組成的等離子體物理實驗系統(tǒng)，可以開展各類常壓或低壓條件下的低溫等離子體源的放電特性、光譜特性以及流動特性的系列實驗，可對等離子體的電特性、光譜特性以及流動特性等進(jìn)行全方位的學(xué)習(xí).從教學(xué)的角度來講，教師可根據(jù)實際的教學(xué)需求設(shè)計不同類型和難度的實驗題目，從不同的角度和深度上開展有關(guān)等離子體物理的實驗教學(xué)工作；從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來講，學(xué)生不僅僅可以根據(jù)已有的實驗指導(dǎo)書完成既定的實驗項目，而且還可以在教師的指導(dǎo)下通過查閱相關(guān)的資料開展創(chuàng)新性的實驗研究工作.目前，我們通過對前期已開展的實驗課程的總結(jié)和完善，已經(jīng)基本具備了全面地推廣該低溫等離子體物理實驗教學(xué)工作的條件.

目前，我們已經(jīng)開發(fā)完成了與等離子體物理教學(xué)相配套的多種氣體放電等離子體實驗系統(tǒng)，如表1所示.這為學(xué)生全面認(rèn)識氣體放電等離子體特性提供了一個良好的實驗教學(xué)平臺.在這一平臺上通過學(xué)生實際的動手實驗，加深學(xué)生對于不同條件下各種氣體放電過程以及氣體放電所產(chǎn)生的等離子體特性的認(rèn)識，提高學(xué)生的實驗動手能力和知識的綜合應(yīng)用能力，激發(fā)學(xué)生對等離子體科學(xué)與技術(shù)的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生的科研創(chuàng)新能力.

表1 等離子體物理教學(xué)實驗（SJ-PLASMA系列）

［1］陳熙.熱等離子體傳熱與流動［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］李定，陳銀華，馬錦秀，等.等離子體物理學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］Bogaerts A，Neyts E，Gijbels R，et al.Gas discharge plasmas and their applications［J］.Spectrochimica Acta Part B，2002，57：609-658.

［4］徐學(xué)基，諸定昌.氣體放電物理［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1996.

［5］菅井秀郎.等離子體電子工程學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［6］張銳，劉鵬，詹如娟.大氣壓輝光放電研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景［J］.物理，2004，33（6）：430-434.

［7］Gad-el-Hak M.Flow control：passive，active，and reactive flow management［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2000.

［8］Moreau E.Airflow control by non-thermal plasma actuators［J］.J.Phys.D：Appl.Phys.，2007，40（3）：605-636.

［9］Moon S Y，Choe W.A comparative study of rotational temperatures using diatomic OH，O2and N2＋molecular spectra emitted from atmospheric plasmas［J］.Spectrochimica Acta Part B：Atomic Spectroscopy，2003，58（2）：249-257.

［10］Boudam M K，Moisan M，Saoudi B，et al.Bacterial spore inactivation by atmospheric-pressure plasmas in the presence or absence of UV photons as obtained with the same gas mixture ［J］.J.Phys.D：Appl.Phys.，2006，39（16）：3494-3507.