大氣壓氮等離子體介質阻擋放電的發射光譜研究

遲鈞文

（沈陽理工大學自動化與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110159）

1 引言

介質阻擋放電的方式能夠在大氣壓下產生大面積、高能量的低溫等離子體，其原理是在金屬放電電極之間放入絕緣介質，用于阻擋電極之間的放電通道，產生阻擋式的放電方式。近幾年來，介質阻擋放電產生的低溫等離子體應用廣泛，具有十分廣闊的應用前景。發射光譜法是一種用于檢測物質元素成分的分析方法。發射光譜法與其他的分析技術相比優勢明顯，其成本低、操作簡單、反應速度快、能夠測量多種元素，具有極高的準確度。

其中，西安科技大學申麗華、于春俠等人采用直流放電的形式，其放電電極以碳納米管為正極，鋁片為負極，在低電壓情況下，對氮氣進行氣體放電，產生氮氣等離子體，并利用發射光譜法對放電產生的粒子進行了診斷研究。大連理工大學肖重發、徐勇等人則是建立了一套交流高壓放電產生氮氣等離子體裝置，在地電極上覆上石英作為介質阻擋，放電產生的等離子體同樣利用發射光譜法對介質阻擋放電產生的等離子體的組成成分進行診斷。

本實驗旨在搭建介質阻擋放電等離子體發生裝置模型，以氮氣為研究對象，在大氣壓、高頻交流電壓的條件下產生等離子體，形成等離子體射流，并用光譜儀捕獲其發射光譜，分析物質成分以及變化規律。

2 氮等離子體發生系統

本實驗等離子體發生系統由4個部分組成，即高電壓發生裝置、針-環電極放電噴頭、配氣系統以及測量系統。

高電壓發生裝置中主要芯片選擇IR2104，IR2104是半橋驅動芯片，用信號發生器對其輸入一個頻率可調且占空比為50 %的方波。芯片正常工作時，輸出兩路相位相反，電壓、頻率和占空比相同的方波。這兩路方波驅動半橋電路。最終得到幅值可調的方波，進而驅動變壓器。經測試，變壓器的諧振頻率為128 kHz，故驅動電路輸入頻率與變壓器諧振頻率相同時獲得的增益最大。

其次對針-環電極放電噴頭進行設計，放電噴頭利用介質阻擋放電原理產生等離子體。放電噴頭主體選用玻璃管作為介質阻擋層，長度50 mm，外徑5 mm，厚度1 mm。正極材料選擇鎢棒，直徑0.8 mm。負極選用銅箔，寬度2 mm。

配氣系統為整個等離子體發生器裝置提供氣體流速可調的氮氣，氮氣純度高達99.99%。氮氣罐上裝有壓力閥，通過導管連接到轉子流量計上，再通過導管連接到放電噴頭上。

測量系統包括電壓測量環節和光譜檢測環節，用Tektronix公司DPO 2002B數字示波器，檢測高電壓發生裝置的工作電壓。用Avantes光譜儀捕獲等離子體射流的發射光譜。

3 實驗研究

3.1 操作步驟

連接好高電壓發生裝置、針-環電極放電噴頭以及配氣系統，搭建起實驗操作平臺。將示波器的高壓探頭接于高壓電極和地電極，用于檢測高壓信號。將光纖探頭固定在實驗平臺滑塊上，且正面水平對準玻璃管，即光纖探頭圓心與玻璃管圓心在同一直線上，緩慢拉伸兩者之間的距離達到10 mm。開啟電源后，緩慢調節電壓使之稍微高于氮氣激發電壓，對放電噴頭進行“預熱”處理半分鐘左右，使實驗結果更穩定。

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3.2 實驗結果

3.2.1 實驗現象

當電壓峰峰值達到6 kV左右時，金屬電極鎢棒尖端產生微弱的等離子體，發出淡淡的光芒，同時伴有輕微“嘶嘶”聲響，在電極尖端產生微弱的等離子體，如圖1中（a）所示。繼續加大電壓，電極尖端發光情況肉眼觀察幾乎無變化。

當電壓峰峰值達到7.5 kV附近時，鎢棒電極尖端向地電極垂直方向產生1根放電細絲，如圖1中（b）所示。

隨著電壓不斷增加，電場強度隨之不斷增大，直到電壓加到9 kV時，可明顯看到放電突然變得猛烈，從1根放電細絲變成多根細絲相互影響，等離子體噴出玻璃管，有彌漫的淡紫色光亮產生，等離子體邊緣有淡淡的黃色光芒，同時伴有強烈的“嘶嘶”聲響和臭氧味道，如圖1中（c）所示。

圖1 氮等離子體介質阻擋放電情況

3.2.2 氮等離子體的發射光譜研究

實驗發現，當電壓峰峰值在6～7 kV時，只測得N2（C3Пu-B3Пg）的譜帶即N2的第二正帶，其中較為明顯的波長為337.1 nm、357.7 nm和380.5 nm。其光譜圖如圖2所示。電壓在其范圍內增加，所捕獲等離子體的輻照度幾乎無變化。在放電等離子體環境中，其內部發生的反應式如下：

其中反應（1）需要11 eV的激發能，帶有較高能量的電子碰撞基態氮分子N2（X），使得激發到較高能態的氮分子N2（C）。隨后，較高能態的氮分子N2（C）進行反應（2），自發躍遷回低能級狀態，產生光子，向外發出輻射。

當電壓達到7.5 kV時，新增加幾條譜線，315.7 nm、353.7 nm、375.6 nm、339.8 nm和405.9 nm，都是N2（C3Пu-B3Пg）帶上的譜線。對于絲狀介質阻擋放電，且放電細絲只有一條的情況下，盡管增加電壓，輻照度變化也不明顯。

當電壓達到9kV時，電極尖端的電場強度持續增加，更多的氮氣分子被激發。激發氮氣產生的各種光電子，進一步使得微放電增強。分析發現，N2（C3Пu-B3Пg）帶系的譜線數目明顯增多。在此放電過程中產生帶系的一條譜線，波長為391.4 nm。新增的譜帶系以及NO-γ（A2Σ-X2П）的譜帶系。放電電場能量達到相對較高的電子伏特，導致粒子相互碰撞、轉化得更加活躍，產生更多種類的粒子。

其中N2的第二正帶（C3Пu-B3Пg）的反應與上文相同，見反應式（1）和（2）。

本實驗產生的N2的第一正帶譜帶系在550～780 nm，其反應式如下：

其中M是N2或者O2中的一種。由發射光譜圖2（b）所示。

圖2 氮氣放電的發射光譜

NO-γ（A2Σ-X2П）的譜帶系的反應式如下：

在放電過程中，NO分子的狀態變化與高能電子的能量密切相關。當電子的能量大于5.5 eV時，便可以通過非彈性碰撞激發NO基態分子到A2Σ態。當被激發的NO（A2Σ）分子回到基態時，在光譜儀可檢測的220～290 nm范圍內形成發射光譜。

3.2.3 氮等離子體譜線輻照度隨放電電壓的變化

實驗放電頻率為128 kHz，針-環電極放電噴頭的高壓電極和地電極相距2 mm，氣體流速控制在5 L/min。N2的第二正帶選取波長337.1 nm譜線作為衡量整個帶系特點的標準。圖3為在大氣壓氮等離子體介質阻擋放電中，337.1 nm譜線的輻照度隨放電電壓峰峰值的變化曲線。

圖3 337.1 nm譜線的輻照度隨放電電壓峰峰值的變化曲線

不難發現，337.1 nm譜線的輻照度在電壓峰峰值6～7 kV時變化幅度較小，此時等離子體剛在電極正極產生，當電壓達到7.5 kV時，正極尖端產生1根放電細絲，輻照度稍有增加，電壓一直增加到8.5 kV，放電細絲光亮些許增強，故輻照度變化不是很明顯。當電壓達到9 kV時，等離子體放電強烈，輻照度激增，在這種放電模式下，輻照度隨著電壓的增大而線性增大。

N+2的第一負帶系只捕捉到波長為391.4 nm譜線。圖4為在大氣壓氮等離子體介質阻擋放電中，其輻照度隨放電電壓峰峰值的變化曲線。

圖4 391.4 nm譜線的輻照度隨放電電壓峰-峰值的變化曲線

電壓峰峰值在9 kV以下時，因為電場能量過低，并未激發出該譜帶系的粒子，圖中微小波動為光譜儀捕獲光子時不可避免的干擾。當電壓達到9 kV時，產生的N+離子隨電壓變化趨勢增大而線性增大，且趨勢變化與337.1 nm譜線大致相同。

4 結語

在大氣壓下，該放電模型以5 L/min的流速通入氮氣，電極兩端施加頻率為128 kHz的正弦電壓，其氮等離子體的激發電壓峰峰值為6 kV，捕獲到N2的第二正帶（C3Пu-B3Пg）的發射光譜。當電極兩端施加峰峰值為9 kV交流電壓時，產生等離子體射流，337.1 nm譜線和391.4 nm譜線的輻照度隨著電壓的繼續增大而線性增大，且變化趨勢大致相同。同時發現，在不同的放電狀態下，所激發出的氮粒子種類不同。