低于一个大气压条件下低温等离子体光谱研究

低于一个大气压条件下低温等离子体光谱研究 1 2 朱 超, 傅鑫 () 1 . 95997 部队 , 北京 100076 ; 2 . 南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室 , 江苏 南京 210094 摘 要 : 以沿面放电低温等离子体对流体边界层控制的研究为背景 , 以实验研究为主要手段 , 在自行设 计的放电电极板上实现低于一个大气压条件下的等离子体放电 , 通过改变电参数和气压 , 最终获得了等离子 体发射光谱 、辐射强度等与各放电参数和各气压条件间的相互关系 , 以了解不同气压条件下沿面放电低温等 离子体的基本特性 。 关键词 : 等离子体物理学 ; 等离子体 ; 发射光谱 ; 等离子体激活板 () 文章编号 : 167326524 20090420074204 中图分类号 : O433文献标志码 : A Research on Lo w Temperature Pla sma Spectral Characterist ics Under Con dit ion of Lo w Atmospheric Pressure 1 2Z H U Chao , FU Xi n (1 . 95997 U nit of PL A , Beijing 100076 , China ; 2 . Natio nal Key L abo rato r y of Transient )Physics , Na njing U niver sit y of Science and Technolo gy , Na njing 210094 , J ia ngsu , Chi na Abstract : U nde r t he bac kgro u nd of st udy o n f l ui d bo unda r y co nt rol mecha ni sm fo r lo w t e mp erat ure p la s2 ma , t a ki ng t he e xp eri me nt al st udy a s t he mai n met ho d , p la sma surf ace di sc ha r ge o n elect ro de boa r d wa s realized a nd p erfo r med u nde r e nvi ro nme nt of lo w at mo sp heric p re ssure . B y mea n s of c ha ngi ng elect rical p a ra met er s a nd t he at mo sp he ric p re ssure , mut ual relatio n of p la sma e mi ssio n sp ect r um , ra diatio n i nt e n si2 t y , ra diatio n st re ngt h , each elect ric di scha r ge p a ra met er a nd va rio u s at mo sp he ric p re ssure co nditio n s we re acqui red . Thi s met ho d ca n p ro vi de ba sic cha ract e ri stic s of elect ric di sc ha r ge lo w t e mp erat ure p la sma under va rio u s co nditio n s of at mo sp heric p re ssure . Key words : plasma p hysics ; plasma ; emissio n spect rum ; plasma activatio n board [ 526 ] 大气压下辉光放电等离子体是等离子体科学探讨其特性。 [ 1 ] , 在环境 保 护 、材料 由于在某些场合 , 气压将低 于一 个 大气 压 , 如 近年来发展起来的新颖技术 (表面改性 、臭氧合成和航空中有非常重要的应用价 高空环境 据实测 ,在近地面层中 ,高度每升高 100 [ 223 ] ) 值。为了对其 进行 深入 研 究 , 对其 本身 的 定性m ,气压平均降低约 1 . 267 k Pa。因此笔者将模拟定量诊断是非常必要的 。对等离子体的诊断通常 低于一个大气压的不同环境下辉光放电等离 采用 L a ngmi ur 探针法 、微波法 、激光法和光谱法 , 子体发生装置所产生的沿面放电的辉光等离子体 , 而其中光谱法是对等离子体本身最没有影响最广 运用 WDL 30 型光电直读单色仪和滨松 CR135 型 [ 4 ] 泛适用的办法。等离子体具有光辐射特性 ,由光 光电倍增管其辐射光谱谱图 。通过改变电参数和 谱测量分析得到的光谱强度和谱线的轮廓 ,与等离 放电电极结构尺寸获得了等离子体辐射强度与各 子体的电子温度等参数存在关联性质 ,因此可以利 参数间的关系 ,间接给出了定量控制沿面放电辉光 用大气压辉光放电等离子体的光辐射特性测试来 等离子的方法 。 收稿日期 : 2009203217 ; 修回日期 : 2009205206 ( ) 作者简介 : 朱 超 1981 - , 女 , 硕士 。主要从事电磁发射与等离子体技术研究 。E2mail : ro se _ zc @ya hoo1 co m 出 , 无论改变电极间隙 d 或者电源频率 f , 谱图上各 峰波长保持不变 , 并且与典型的氮气放电谱图极其 1 实验装置和过程 相似 。由此可以得出结论 , 此大气压下空气放电低温 等离子体主要是空气中的氮气气体放电 , 其放电物 采用 1 对贴敷于介质两面的电极作为等离子 质种类与电源频率 、电压以及气压条件都无关系 。 体激发装置 ,介质板尺寸为 140 mm ×40 mm 环氧 树脂板 ,厚 1 mm ,上下电极为 100 mm ×4 mm 、厚 为 0 . 1 mm 的铜薄膜 ; 电极间间距为 d , 变化范围为 - 4 , 4 mm , 整个发生器置于一个密闭的空腔中 , 气压变化在 40 . 53 k Pa 至 101 . 3 k Pa 范围内 。 电 源由正弦信号源通过功率放大器高压变压器 加载在等离子体发生器上 , 电压保持 10 kV , 频率变 化范围为 2. 0 , 4. 5 k Hz 。频率由信号源确定 ,电压由 PM K2 P HV 24002 型电阻分压高压探针测得 ,电流由 Ω 测量串联其中的 1 个 51 无感电阻 R 上电压获得 。 本文进行等离子体光谱诊断所采用的光 学仪 器为 WDL 30 型光电直读单色仪 , 选用 1 200 线 / 毫 λ 米光栅 , 闪耀波长b = 300 n m , 工作波长为 200 , 600 nm 。等离子体激活板工作时 , 等离子体发射的 光线经过焦距 100 mm 的凸透镜汇聚进入单色仪 , 由 CR135 型光电倍增管将采集的光信号转变为电 信号并加以放大记录下来 。测量到的电信号的大小 直接反映了光信号的强弱 。 光辐射的强度与等离子体的特性参数之 间存 在着某种关系 , 虽然目前还无法明确给出 , 但光辐 射强度仍反映了等离子体的强度特性 。 通过单色 ( ) 仪的扫描 扫描步长为 0 . 25 n m, 可 看到沿面放电等离子体的辐射光谱很丰富 。虽然放 电时可清晰地观察到低温等离子体发出的蓝紫色 光芒 , 但从光栅单色仪扫描的结果却发现 , 其光谱 从紫外到可见光都有不同的强度 , 即在 280 , 500 nm 的波长范围内有较明显的峰值 , 其他波长的光 λ 对图 1 和 图 2 中各 谱 图包 络线 和 最 高 峰=强很小 , 与高峰值相比几乎趋于零 。因此 , 本文只考 357 . 05 nm 包络进行积分 , 通过对整个光谱图及最 察波长在此范围的光谱 。 高波峰进行积分 , 对比它们的面积来分析其光辐射 强度的规律 , 以获得在不同气压下空气中沿面放电 等离子体的特性 。光谱包线下的面积代表总辐射强 度 , 最高峰包线下的面积代表该峰的辐射强度 , 由 S 2 实验结果讨论λ 2 (λ) λ= I d积分得到 。其中 S 为波峰下所包围的面 图 1 和图 2 分别为保持电压峰峰值 15 kV , 在 ?λ 1 不同气压条件 p 和不同频率 f 下获得的谱图 。图 1λ λ 积 , 从1 = 354 . 3 积分到 2 = 358 . 65 。( ) 为气压条件 p = 50 . 633 k Pa 0 . 5 at m时 5 种不同 放 电 功 率 可 根 据 李 萨 育 图 形 法 由 P =频率下获得 的合 并光 谱 图 , 图 2 为保 持电 源 频率 T T 1 dU c C U I d t =Ud t = f CU dU = f CS 算得 。c f = 4 . 0 k Hz 时 9 种电极间隙下的合并光谱图 。合 0 0 T?T?d t ?并绘制时每条谱线的基线依次比邻近谱线的基线 ( ) 图 3 a为气压p 不变时 , 谱图总面积 S随电0 高出 200 个单位 , 以示区分 。从图 1 和图 2 中可以看 ( ) 源频率 f 的变化规律曲线 ; 图 3 b为气压 p 不变 时 , 放电功率 P 随电源频率 f的变化规律曲线图 。 从图中可以看出 , 随着电源频率 f 的增加 , 谱 时 ,随着气压的进一步降低 ,功率快速上升 。k Pa 图总面积 S 都随之增加 , 除了个别实验数据点和个 0 ( ) ( ) 结合图 4 a和图 4 b来看 , 可以认为当气压 别曲线外 , 可以认为是近似线性增加 。而从放电功 为 70 . 93 k Pa 时 , 等 离 子 体 放 电 效 益 最 高 。在 图 率 P 随电源频率 f 的变化规律图来看 , 当频率 f ( ) 4 b中 , 当频率分别为 2 . 0 、2 . 5 、3 . 0 和 4 . 0 k Hz 时 , 小于 3 k Hz 时 , 放电功率 P 随频率增加而增加 , 当频 在气压 p = 70 . 93 k Pa 时存在着明显的拐点 , 由于 率超过 3 k Hz 时 , 功率的增加趋于平缓甚至不变 , 这 实验条件的限制 , 并没有能够采集到更多的数据点 一趋势在气压越低时表现的越明显 , 而越接近于 1 加以分析 , 也 不 能 更 好 地 解 释 出 现 这 种 现 象 的 原 个标准大气 压 时 , 功 率 趋 于 随 频 率 增 加 而 线 性 增 加 , 当气压 p = 101 . 325 k Pa 即 1 . 0 at m 时 , 功率基 因 , 因此猜测等离子体放电功率与气压和电源频率 本上随频率增加而线性增加 , 这一结果也和之前的 存在着某种不同的相关性 。可能在某些工作点上或 实验结果相吻合 。结合这两个图仔细分析 , 频率越 工作点周围其相互依赖关系将会改变 , 而不符合线 高 , 光辐射的强度越强 , 而放电功率却增加的不明 性关系 。 显 , 这样可以认为要在单位功率下获得更大的光辐 图 5 为保持电源电压 10 kV 时最强峰的峰值和 射强度 , 是能够通过提高电源频率来实现的 。因此 ( ) ( ) 峰面积随频率变化的曲线 , 图 5 a为峰强 , 图 5 b如果需要该方面的应用时 , 可适当增加电源频率 。 谱线如图 4 所示 , 在同样的电源频率 f 下 , 光谱图 为峰面积 。从图 5 可以看出 , 峰值和峰面积的变化规 下所包围的总面积 S和等离子体放电功率 P 随气0 律是一致的 , 基本成线性增加 。对于相同的信号处 压 p 的变化规律 , 气压降低 , 谱图总面积 S近 0 似线理系统 , 包括光电倍增管 、滤波器和放大器等 , 由于 性增加 , 其中有个别工作点不符合这种趋势 , 但趋系统特性是不变的 , 所记录的峰轮廓形状也应该是 向于认为这是由于测量误差或偶然的误差造 成 相似的 。因此 , 当峰值变化时 , 对应的峰面积也作相 的 。而从放电功率随电源频率的变化规律图来看 , 当 气压高于 70. 93 k Pa 即 0. 7 at m 时 , 随着气压的降 应变化 。 低 ,功率缓慢升高甚至变化微小 ,而当气压低于70. 93 图 6 为保持电源电压 10 kV 时最强峰的峰值和 ( ) ( )峰面积随气压变化的曲线 , 图 6 a为峰强 , 图 6 b 为峰面积 。 的降低而增强 , 气压越低 , 等离子体光辐射强度越强 。这是因为气压降低 , 气体分子的自由程变大 , 因 而带电粒子的复合机率降低 , 更有利于延长带电粒 子的存在时间 , 将会促进参与能级跃迁的电子数目 增多 , 因此就有利于等离子体的增强 , 所以光辐射 强度增大 。即低压条件更有利于等离子体的产生 。 3 结论 通过不同空气压力条件下沿面放电的等离 子体发生装置 , 获得了大气压下均匀覆盖的表面等离 子体 。采用光谱分析手段 , 研究了在低于 1 个大气 压下空气中放电的低温等离子体光辐射特性与各 放点参数间的关系 , 得出以下结论 : ) 1空气中沿面放电等离子体光谱十分丰富 , 不 同压力下所发射的谱线都类似于氮气放电光谱 , 可 以认为放电主要成分为氮气分子 。 ) 2随着电源频率 f 的增加 , 谱图总面积 S都 0 是随之线性增加的 。 ) 3随着气压的降低 , 谱图总面积 S近似线性 0 增加 。 ) 4最强峰的峰值和面积也是随频率线性增加 , 随气压降低线性增加的 , 并且峰值和面积变化趋势 一致 。 参考文献 : [ 1 ] 管井秀郎 . 等离子体电子工程学 [ M ] . 张海波 ,张丹 ,译 . 北京 :科学出版社 ,2002 . 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