六邊形暈斑圖等離子體參數(shù)的光譜測量

馮建宇，董麗芳，魏領(lǐng)燕，付宏艷, 劉 瑩, 牛雪姣

河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002

六邊形暈斑圖等離子體參數(shù)的光譜測量

馮建宇，董麗芳*，魏領(lǐng)燕，付宏艷, 劉 瑩, 牛雪姣

河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071002

在空氣與氬氣按比例混合組成的氣體放電中，研究了由中心點(diǎn)和六邊形暈組成的六邊形暈斑圖。從照片中觀察六邊形暈斑圖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)和六邊形暈的亮度有明顯的差異，說明中心點(diǎn)和六邊形暈可能處的等離子體狀態(tài)不同。利用發(fā)射光譜法，詳細(xì)研究了該六邊形暈斑圖結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)和六邊形暈的等離子體參數(shù)隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)根據(jù)氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)譜線計(jì)算了中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度； 通過氮分子離子(391.4nm) 與氮分子(394.1nm)譜線強(qiáng)度比，反映中心點(diǎn)和六邊形暈的電子平均能量； 利用氬原子696.5nm(2P2→1S5)譜線的展寬，研究了電子密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 六邊形暈斑圖主要范圍是氬氣含量從60%～75%、壓強(qiáng)從30～46 kPa。在相同的壓強(qiáng)條件下，六邊形暈比中心點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度、電子平均能量均要高。隨著壓強(qiáng)從30 kPa逐漸升高到46 kPa，中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度、電子平均能量是逐漸增大的。在相同的壓強(qiáng)條件下，六邊形暈比中心點(diǎn)的譜線展寬要大，且隨著壓強(qiáng)的升高而增加，表明電子密度隨著壓強(qiáng)的增大而升高。六邊形暈和中心點(diǎn)的等離子體的狀態(tài)不同，說明二者放電機(jī)制上的差異。進(jìn)一步采用高速照相機(jī)對斑圖的電流脈沖進(jìn)行分脈沖瞬時(shí)拍攝，發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)是由先放電的體放電形成，而六邊形暈是由放電晚于體放電的沿面放電形成。

介質(zhì)阻擋放電； 六邊形暈斑圖； 分子振動(dòng)溫度； 電子平均能量； 電子密度； 高速照相機(jī)

引 言

介質(zhì)阻擋放電是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電[1-2]，因其廣泛的工業(yè)應(yīng)用而廣為所知。近年來，介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)因觀察到大量的斑圖而備受關(guān)注。斑圖一般分為兩類： 一類是由放電絲自組織成的點(diǎn)陣類斑圖[3-6]； 另一類是帶有圓對稱狀暈的斑圖[7]。最近，本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種由中心點(diǎn)和六邊形暈組成的斑圖。該六邊形暈斑圖的六邊形暈亮度明顯弱于中心點(diǎn)的亮度，這表明六邊形暈與中心點(diǎn)的放電機(jī)制有明顯差異，即點(diǎn)與暈的等離子狀態(tài)不同。由于等離子體的溫度及其電子能量決定等離子體的基本宏觀特性，因此本工作利用發(fā)射光譜法，不僅對六邊形暈斑圖的中心點(diǎn)和六邊形暈的等離子體溫度進(jìn)行了詳細(xì)研究，還進(jìn)一步研究了六邊形暈斑圖中點(diǎn)和暈的不同放電特性。實(shí)驗(yàn)中六邊形暈斑圖的中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度，是根據(jù)氮分子譜線第二正帶系計(jì)算得到的； 利用氮分子離子譜線與氮分子譜線強(qiáng)度比，分析了中心點(diǎn)和六邊形暈的電子平均能量及隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系； 利用氬原子696.5 nm譜線的展寬，研究了電子密度。采用高速照相機(jī)，對斑圖的電流脈沖進(jìn)行分脈沖拍攝，研究了體放電與沿面放電之間的差異。所得結(jié)果對于研究體放電與沿面放電之間相互關(guān)系具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由水電極、示波器、驅(qū)動(dòng)電源、光譜儀等儀器組成。兩個(gè)內(nèi)部裝滿水的圓柱形有機(jī)玻璃柱組成水電極，其浸在水中的金屬環(huán)與高壓高頻的交流正弦驅(qū)動(dòng)電源相連接。真空室內(nèi)充滿空氣與氬氣的混合氣體，壓強(qiáng)范圍為30～46 kPa。水電極之間放一塊邊長L為2.5 cm、放電間隙d為4.9 mm的六邊形玻璃框架。用數(shù)碼相機(jī)(Canon Powershot G1)記錄氣體放電形成的發(fā)光斑圖。利用聚光透鏡將斑圖呈現(xiàn)出放大像，通過光纖探頭依次將中心點(diǎn)和六邊形暈位置的光導(dǎo)入光譜儀(ACTON ADVANCED SP 2750A)，分辨率： 0.01 nm，光柵： 300，1 800，2 400 G·mm-1, CCD： 1 340×400 pixels，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和存儲。使用高速照相機(jī)(HSFC pro.120PH0047)記錄斑圖在微觀時(shí)間尺度的時(shí)空結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

圖2展示了六邊形暈斑圖，曝光時(shí)間為25 ms，六邊形暈斑圖由中心點(diǎn)和六邊形暈自組織形成。從圖中可以看到： 六邊形暈的亮度明顯比中心點(diǎn)的弱。說明六邊形暈與中心點(diǎn)的等離子體狀態(tài)可能不同。為了進(jìn)一步研究六邊形暈和中心點(diǎn)的差異，采用發(fā)射光譜法，測量了六邊形暈和中心點(diǎn)的等離子體參量。

圖2 六邊形暈班圖

電壓U=5.16 kV； 頻率f=56 kHz; 曝光時(shí)間25 ms； 氣隙4.9 mm

Fig.2 The spot-halo hexagon pattern

The applied voltageU=5.16 kV； The driven frequencyf=56 kHz； The exposure time of the image is 25 ms； The gas gap is 4.9 mm

圖3給出了六邊形暈斑圖隨壓強(qiáng)和氬氣含量變化的相圖，如圖所示，在不同的氬氣含量下，其出圖對應(yīng)的壓強(qiáng)也不盡相同?？傮w的出圖范圍大約是： 氬氣含量60%～75%，壓強(qiáng)30～46 kPa。

由斑圖中心點(diǎn)與六邊形暈亮暗的差別可知，兩層結(jié)構(gòu)的等離子體狀態(tài)不相同，且具有較廣泛的出圖范圍，因此，實(shí)驗(yàn)采用發(fā)射光譜法，測量了二者隨壓強(qiáng)變化的等離子體溫度。實(shí)驗(yàn)中選用300 G·mm-1的光柵，設(shè)定中心波長為390 nm，在波長360～420 nm的范圍內(nèi)，采集了氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)的發(fā)射譜線，如圖4所示。通過對該組發(fā)射譜線的處理和分析，采用第二正帶系的兩組振動(dòng)序帶： (0-2，1-3，2-4)和(0-3，1-4，2-5)，計(jì)算出了六邊形暈斑圖的中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度。

圖3 六邊形暈班圖氣壓P隨氮?dú)夂喀值南鄨D

圖4 六邊形暈班圖360～420 nm的發(fā)射譜線

圖5 中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度隨氣壓的變化

Fig.5 The variation of molecular vibration temperature of the center spot and hexagon halo as a function of gas pressure

圖5給出了六邊形暈斑圖的中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在壓強(qiáng)相同時(shí)，中心點(diǎn)比六邊形暈的分子振動(dòng)溫度低； 中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度隨壓強(qiáng)的增大而升高。中心點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度大致在2 300～2 800 K范圍，六邊形暈的分子振動(dòng)溫度大致在2 500～2 900 K范圍。

由于氮分子離子譜線與氮分子譜線的相對強(qiáng)度比可反映其電子平均能量。因此實(shí)驗(yàn)給出了氮分子離子391.4 nm譜線與氮分子394.1 nm譜線的強(qiáng)度比隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系，如圖6所示。由圖可知，在同一壓強(qiáng)下，六邊形暈斑圖的六邊形暈比中心點(diǎn)的電子平均能量要高； 中心點(diǎn)和六邊形暈的電子平均能量隨壓強(qiáng)的增大而增大。

Fig.6 The variation of the ratio of intensity of the nitrogen molecule ion line and nitrogen molecule line of the center spot and hexagon halo as a function of gas pressure

實(shí)驗(yàn)選用2 400 G·mm-1的光柵，中心波長設(shè)定為696.5 nm, 利用氬原子696.5 nm(2P2→1S5) 譜線的展寬，研究了中心點(diǎn)和六邊形暈的電子密度，原理見文獻(xiàn)[8]。圖7給出了中心點(diǎn)和六邊形暈的譜線。由圖可見，譜線的左支交疊，而譜線的右支則是六邊形暈的較中心點(diǎn)的向右偏移。

圖7 六邊形暈班圖696.5 nm處的譜線

對Ar Ⅰ發(fā)射譜線696.5 nm 的展寬進(jìn)行計(jì)算，圖8給出了譜線展寬隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)和六邊形暈的譜線展寬均隨壓強(qiáng)增加而變寬，同時(shí)，在同一壓強(qiáng)下，六邊形暈的展寬要大于中心點(diǎn)。等離子體中譜線的展寬與電子密度有關(guān)，譜線展寬越大，其電子密度越大。由此說明六邊形暈的電子密度大于中心點(diǎn)的電子密度，且均隨著壓強(qiáng)的增大而增大。

圖8 中心點(diǎn)和六邊形暈696.5 nm譜線 的展寬隨氣壓的變化

Fig.8 The width of spectral line 696.5 nm of the center spot and hexagon halo as a function of the gas pressure

以上光譜的結(jié)果表明，六邊形暈斑圖中六邊形暈和中心點(diǎn)處于不同的等離子體狀態(tài)。可能是因?yàn)槎叩姆烹姍C(jī)制所不同導(dǎo)致，因此采用高速照相機(jī)對六邊形暈斑圖的電流脈沖進(jìn)行分脈沖瞬時(shí)拍攝。六邊形暈斑圖的電壓電流波形圖及高速照相機(jī)的曝光示意圖，如圖9(a)所示。對應(yīng)第一個(gè)電流脈沖和第二個(gè)脈沖包絡(luò)的前一部分的，即Δt1時(shí)間段的是中心點(diǎn)體放電，它呈現(xiàn)的是中心亮點(diǎn)的三角形大點(diǎn)排布，如圖9(b)所示。對應(yīng)第二個(gè)脈沖包絡(luò)余下部分的，即Δt2時(shí)間段的是六邊形暈沿面放電，看起來是一團(tuán)爪狀結(jié)構(gòu)，如圖9(c)所示。圖9(d)是圖9(b)和圖9(c)的疊加。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)可以看出，體放電先放電，沿面放電后放電。也就是，所加驅(qū)動(dòng)電壓越過擊穿閾值時(shí)發(fā)生體放電，體放電在介質(zhì)表面累積壁電荷，然后累積的壁電荷所構(gòu)建的內(nèi)建電場達(dá)到擊穿值后便出現(xiàn)了形成六邊形暈的沿面放電。

3 結(jié) 論

在空氣與氬氣按比例混合組成的混合氣體放電中，研究了由中心點(diǎn)和六邊形暈組成的六邊形暈斑圖。從照片中觀察六邊形暈斑圖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)和六邊形暈的亮度有明顯的差異，說明中心點(diǎn)和六邊形暈可能處于不同的等離子體狀態(tài)。利用發(fā)射光譜法，詳細(xì)地研究了該六邊形暈斑圖結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)和六邊形暈的等離子體參數(shù)隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 六邊形暈斑圖主要出圖范圍是氬氣含量從60%～75%、壓強(qiáng)從30～46 kPa。在相同的壓強(qiáng)條件下，六邊形暈比中心點(diǎn)的分子振動(dòng)溫度、電子平均能量均要高。中心點(diǎn)和六邊形暈的分子振動(dòng)溫度、電子平均能量，隨著壓強(qiáng)從30 kPa逐漸升高到46 kPa，是逐漸增大的。在相同的壓強(qiáng)條件下，六邊形暈比中心點(diǎn)的譜線展寬明顯，且隨著壓強(qiáng)的增大而升高，表明電子密度隨著壓強(qiáng)的增大而升高。采用高速照相機(jī)對斑圖的電流脈沖進(jìn)行分脈沖瞬時(shí)拍攝，發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)是由先放電的體放電形成，而六邊形暈是由放電晚于體放電的沿面放電形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅對研究六邊形暈斑圖的形成具有重要的意義，而且對于研究沿面放電與體放電之間的相互關(guān)系也具有重要的價(jià)值。

圖9 六邊形暈班圖的電流電壓波形圖，高速相機(jī)照片及其疊加

(a): Waveforms of the voltage and the current of the pattern and the exposure time of high speed camera; (b): Images exposed corresponding to the current plus phases denoted by Δt1; (c): Images exposed corresponding to the current plus phases denoted by Δt2; (d): The superposition of (b) and (c)

[1] Kogelschatz U. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2003, 23(1): 1.

[2] Kogelschatz U. IEEE Trans. Plasma Sci., 2002, 30(4): 1400.

[3] Breazeal W, Flynn K M, Gwinn E G. Phys. Rev. E, 1995, 52: 1503.

[4] Zanin A L, Gurevich E L, Moskalenko A S, et al. Phys. Rev. E, 2004, 70L: 036202.

[5] Dong L F, Liu F C, Liu S H, et al. Phys. Rev. E, 2005, 72: 046215.

[6] Dong L, Fan W, He Y, et al. Phys. Rev. E, 2006, 73: 066206.

[7] Gerhard J Pietscha, Valentin I. Pure & Appl. Chem., 1996, 70: 1169.

[8] DONG Li-fang, PAN Yu-yang, SONG Qian, et al(董麗芳，潘宇揚(yáng)，宋 倩，等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析), 2013, 33(1): 48.

(Received Jul. 7, 2015; accepted Nov. 24, 2015)

*Corresponding author

Study on the Plasma Parameters of the Spot-Halo Hexagon Pattern with Optical Emission Spectrum

FENG Jian-yu, DONG Li-fang*, WEI Ling-yan, FU Hong-yan, LIU Ying, NIU Xue-jiao

College of Physics Science and Technology, Hebei University, Hebei Key Lab of Optical-electronic Information and Materials, Baoding 071002, China

The spot-halo hexagon pattern consisted of the center spot and hexagon halo in dielectric barrier discharge is researched, which filled with gas-mixture of argon and air. The pictures taken from the experiment shows that there is an obvious difference on brightness between the center spot and hexagon halo. All of these phenomena suggest that the center spot and hexagon halo are probably in different plasma state. The plasma parameters of the center spot and hexagon halo in the spot-halo hexagon pattern as a function of gas pressure are studied in details by using optical emission spectra. The emission spectra of the N2second positive band(C3Πu→B3Πg)aremeasured,fromwhichthemoleculevibrationaltemperatureofthecenterspotandhexagonhaloarecalculated.Basedontherelativeintensityofthelineat391.4nmandtheN2lineat394.1nm,thechangeoftheelectronaverageenergyofthecenterspotandhexagonhaloasafunctionofgaspressureisinvestigated.Theelectrondensityisstudiedbyusingthebroadeningofthespectralline696.5nm.Itisfoundthatthemainchartofthespot-halohexagonpatternistheargoncontentfrom60%to75%andthepressurefrom30to46kPa.Themoleculevibrationaltemperatureandelectronaverageenergyofthehexagonhaloarehigherthanthoseofthecenterspotatthesamepressure.Asthepressuregraduallyincreasedfrom30to46kPa,themoleculevibrationaltemperatureandelectronaverageenergyofthecenterspotandhexagonhaloareincreased,too.Thebroadeningofthespectrallineofthehexagonhaloisbiggerthanthecenterspotatthesamepressure,whichincreaseswiththegaspressureincreasing.Itindicatesthattheelectrondensityincreaseswithgaspressureincreasing.Thedifferentplasmastateofthecenterspotandhexagonhaloshowthatthedifferentformationsmechanismofthem.Itisfoundthattherearevolumedischargesfirstlyandthencomessurfacedischargeswithehighspeedcamera.

Dielectric barrier discharge; The spot-halo hexagon pattern; Molecule vibrational temperature; Electron average energy; Electron density; The high speed camera

2015-07-07，

2015-11-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11375051), 河北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(11967135D)和河北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2010140)資助

馮建宇, 1990年生, 河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生 e-mail: fengjianyu2010@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: donglfhbu@163.com

O461.2； O433.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1877-05