大氣壓氬氣/空氣針-環(huán)式介質(zhì)阻擋放電發(fā)射光譜診斷

李政楷， 陳 雷*， 王美琪， 宋 鵬， 楊 昆， 曾 文

1. 沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110136 2. 大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院， 遼寧 大連 116024 3. 大連民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 遼寧 大連 116600

引 言

通過介質(zhì)阻擋放電在大氣壓下產(chǎn)生等離子體射流具有發(fā)生裝置簡單、 放電過程易控制以及操作安全等諸多優(yōu)勢， 其在材料表面處理[1]、 生物醫(yī)學(xué)[2]、 點(diǎn)火助燃[3]等領(lǐng)域均具有極高的應(yīng)用價(jià)值。 為提高大氣壓DBD放電等離子體射流在不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用效率， 有必要對其放電動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行深入的探討。 一般針對大氣壓等離子體的診斷方法有探針法[4]、 發(fā)射光譜法[5]以及質(zhì)譜法[6]。 其中發(fā)射光譜法作為一種可對等離子體射流進(jìn)行高精度在線原位測量的診斷技術(shù)， 科研人員利用其對等離子體射流進(jìn)行了大量的診斷研究。 張維[7]等利用Ar Ⅰ原子發(fā)射光譜探究了大氣壓氬氣等離子射流電子激發(fā)溫度、 電子密度隨不同峰值電壓的變化規(guī)律； 李亞茹[8]等通過發(fā)射光譜法對大氣壓氬氣等離子體羽轉(zhuǎn)、 振動(dòng)溫度進(jìn)行了研究， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)大氣壓氬氣等離子體羽的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度在520～700 K之間， 振動(dòng)溫度在3 000 K左右。

在眾多等離子體參數(shù)中， 電子激發(fā)溫度及等離子體振動(dòng)溫度在等離子體射流中的電子輸運(yùn)過程及化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)揮著重要作用。 本文通過針-環(huán)式介質(zhì)阻擋放電裝置在大氣壓條件下對氬氣/空氣混合氣放電并產(chǎn)生了穩(wěn)定的等離子體射流。 通過發(fā)射光譜法對氬氣/空氣等離子體射流電子激發(fā)溫度、 振動(dòng)溫度及活性粒子種類進(jìn)行了診斷。

1 實(shí)驗(yàn)部分

試驗(yàn)裝置圖如圖1所示， 針-環(huán)式介質(zhì)阻擋放電裝置由中心電極、 石英介質(zhì)層以及環(huán)狀紫銅電極組成。 中心電極為直徑4 mm的針狀紫銅電極， 其與等離子體電源的高壓接線端相連。 石英介質(zhì)層直徑為12 mm， 厚度為2 mm。 在中心電極與石英介質(zhì)層之間為3 mm的放電間隙。 環(huán)狀紫銅電極的寬度為5 mm, 其作為接地電極與等離子體電源的接地端相連。 試驗(yàn)中采用CTP-2000K微秒脈沖等離子體電源為針-環(huán)式DBD放電裝置供電。 峰值電壓及放電頻率的大小顯示并被記錄保存在Tronix-TDS1002數(shù)字型示波器上。 空氣及氬氣的純度均為99.99%， 由氣瓶分別供應(yīng)。 等離子體射流的發(fā)射光譜信息由海洋光學(xué)MX2500+7七通道光纖式光譜儀采集， 其光纖探頭固定在離射流徑向10 mm的位置。 采集到的光譜信息由數(shù)據(jù)線傳輸并保存在計(jì)算機(jī)中。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

發(fā)射光譜信息在等離子體射流電子激發(fā)溫度的計(jì)算中發(fā)揮著重要的作用[9]。 玻爾茲曼斜率法利用最小二乘線性擬合對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算具有較高的模型精度， 是目前使用較為廣泛的電子激發(fā)溫度診斷方法。 在LTE條件下， 電子激發(fā)溫度與譜線參數(shù)之間的關(guān)系可表達(dá)為

(1)

式(1)中，I為相對光譜強(qiáng)度、λ為譜線波長、g為統(tǒng)計(jì)權(quán)重、A為原子躍遷概率、Ek為上能級能量、k為玻爾茲曼常數(shù)、 ln(hcN/4πZ)是常數(shù)項(xiàng)。 可以看出ln(Iλ/gA)與Ek之間表現(xiàn)出線性函數(shù)關(guān)系， 通過擬合線的斜率即可計(jì)算出電子激發(fā)溫度。

N2的第二正帶系是計(jì)算等離子體振動(dòng)溫度的主要工具[10-11]。 對雙原子分子帶系而言， 其振動(dòng)溫度與發(fā)射光譜參數(shù)之間的關(guān)系可表達(dá)為

(2)

(3)

式(3)中，ωe，ωexe和ωeye是與雙原子分子對應(yīng)的常數(shù)， 由于從第三項(xiàng)開始即為高階小項(xiàng)， 因此計(jì)算時(shí)只考慮前兩項(xiàng)即可。 此時(shí)， 只要做出以ln(Iν′ν″λν′ν″/Aν′ν″)為縱坐標(biāo)，Eν′為橫坐標(biāo)的擬合線， 該擬合線的負(fù)斜率即為振動(dòng)溫度的倒數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 特征譜線分析

圖2 大氣壓氬氣/空氣等離子體射流發(fā)射光譜

2.2 電子激發(fā)溫度分析

通過Boltzmann法對電子激發(fā)溫度進(jìn)行測算， 為保證電子激發(fā)溫度的計(jì)算精度， 選取最大、 最小能級的譜線激發(fā)能分別為13.15和13.47 eV。 中間能級的譜線激發(fā)能分別為13.17， 13.30和13.32 eV共五條譜線。 電子激發(fā)溫度的擬合直線如圖3所示， 可以看到， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻的分布在最小二乘擬合線的兩邊， 擬合精度較高。

圖3 電子激發(fā)溫度玻爾茲曼擬合線

大氣壓下固定放電頻率10 kHz， 峰值電壓由12 kV增大到17 kV(間隔為1 kV)共6個(gè)檔次， 通過電子激發(fā)溫度玻爾茲曼擬合線計(jì)算得到不同峰值電壓下的電子激發(fā)溫度變化曲線如圖4所示。 可以清晰的看出， 隨峰值電壓的增大電子激發(fā)溫度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。 在介質(zhì)阻擋放電過程中， 非彈性碰撞是使基態(tài)原子躍遷到激發(fā)態(tài)的主要原因， 電子激發(fā)溫度的高低與電子平均能量的變化息息相關(guān)。 當(dāng)峰值電壓在12～15 kV這一區(qū)間內(nèi)時(shí)， 電子激發(fā)溫度呈上升的變化趨勢， 這是因?yàn)殡S峰值電壓的升高， 微放電通道內(nèi)的電場強(qiáng)度隨之增大， 自由電子在電場的作用下被加速到更高的速度。 自由電子從外電場中獲得了更多的能量， 因此在這一區(qū)間電子激發(fā)溫度會(huì)表現(xiàn)出上升的趨勢。 當(dāng)峰值電壓在15～17 kV之間時(shí)， 電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的增大呈現(xiàn)出降低的趨勢。 這是因?yàn)榇藭r(shí)在電場作用下石英介質(zhì)層上積累過多的電子， 在等離子體放電區(qū)內(nèi)將形成內(nèi)部反向電場進(jìn)而削弱外部場強(qiáng)， 最終將導(dǎo)致電子平均能量損耗， 電子激發(fā)溫度降低。 綜上可以看出電子激發(fā)溫度并不是總隨外加峰值電壓的增大而增大的。

圖4 不同峰值電壓下電子激發(fā)溫度

2.3 等離子體振動(dòng)溫度分析

分子的振動(dòng)激發(fā)過程伴隨著能量的吸收， 其有助于等離子體射流中化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。 在300～430 nm之間選取N2第二正帶系的5個(gè)順序帶譜共計(jì)9條譜線對大氣壓氬氣/空氣等離子體射流振動(dòng)溫度進(jìn)行擬合， 以試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)為基礎(chǔ)的最小二乘玻爾茲曼擬合線如圖5所示。

圖5 等離子體振動(dòng)溫度玻爾茲曼擬合線

圖6為不同峰值電壓下的等離子體射流振動(dòng)溫度， 可以直觀的看到等離體射流振動(dòng)溫度隨峰值的增大表現(xiàn)出降低的趨勢。 氮分子的w激發(fā)主要是由自由電子與基態(tài)氮分子之間的非彈性碰撞導(dǎo)致的， 因此等離子體振動(dòng)溫度也受到電子平均能量的影響。 隨峰值電壓的增大， 等離子體放電區(qū)的電壓亦隨之增大， 自由電子平均動(dòng)能隨之上升。 當(dāng)電子動(dòng)能較大時(shí)自由電子與氮分子之間的相互作用時(shí)間將會(huì)縮短， 進(jìn)而二者之間的碰撞能量轉(zhuǎn)移截面將會(huì)減小， 因此大氣壓氬氣/空氣等離子體射流會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)溫度隨峰值電壓增大反而降低變化趨勢。

圖6 不同峰值電壓下等離子體振動(dòng)溫度

3 結(jié) 論

利用針-環(huán)式等離子體放電裝置對氬氣/空氣混合氣進(jìn)行了電離并產(chǎn)生了穩(wěn)定的等離子體射流， 通過發(fā)射光譜法對其活性粒子種類、 電子激發(fā)溫度、 振動(dòng)溫度等參數(shù)進(jìn)行了測量， 結(jié)果如下：

(1)氬氣/空氣內(nèi)的主要活性粒子為N2的第二正帶系、 Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子。 電子激發(fā)溫度在7 000～11 000 K之間。

(2)其電子激發(fā)溫度并不是隨著峰值電壓的增加而單調(diào)變化的， 而是呈現(xiàn)出了先增大后減小的變化趨勢；

(3)等離子體振動(dòng)溫度隨峰值電壓增大而減小， 其變化范圍在3 200～4 500 K之間。