介質阻擋放電時間對放電光電特性的影響

師貴虎, 王偉偉, 劉 峰, 王 赟, 樊智慧, 梁慧敏

(河北工程大學 數理科學與工程學院,河北省計算光學成像與光電檢測技術創新中心,河北省計算光學成像與智能感測國際聯合研究中心,河北 邯鄲 056038)

介質阻擋放電(dielectric barrier discharge,DBD)又被叫作無聲放電,是一種典型的非平衡態氣體放電[1].由于DBD可用于處理大氣壓下的大量氣體[2],且操作簡單,所以被廣泛應用在臭氧合成[3-4]、殺菌[5]、紫外與真空紫外輻射產生[6]、材料表面處理[7]、氣體激光器激勵[8]等方面,也是目前低溫等離子體研究中的重要領域之一.在放電過程中,由于離子對電極表面的轟擊和熱量的積累會導致電極溫度升高,隨著放電時間的推移會帶來較大的影響[9].Xu等[10]通過功率模塊給接地電極加熱研究發現,當接地電極溫度升高時,擊穿電壓下降;當功率相同時,接地電極溫度越高則所需要的外加電壓越小;Ichiki等[11]通過對針-板型介質阻擋放電的研究發現,隨著接地電極溫度的升高,等離子體的放電面積逐漸變大.然而在研究過程中學者們往往忽略了等離子體放電時間和電極溫度變化對放電特性的一些影響,甚至將它們當作不影響實驗結果的誤差來處理.本文中,筆者通過測量不同等離子體放電時間的電信號和光譜并記錄電極溫度的變化,探究不同等離子體放電時間和電極溫度變化對DBD放電光電特性的影響.

1 實驗裝置和方法

實驗裝置如圖1所示,DBD反應裝置由一個石英管、銅管和環繞在石英管上的環形銅片構成.石英管厚度為1 mm,內直徑為14 mm,長為55 mm;銅管外直徑為12 mm、長度為60 mm,被耐高溫硅膠固定在石英管中間并通過導線與地連接.銅片寬度為10 mm,其恰好能將石英管完全包裹住,通過導線連接電源的高壓極.利用紅外線測溫儀(Taicooen QC-1200)來對電極的溫度進行監測;通過高壓探頭(Tektronix P6015A)測量外加電壓,并通過測試電容(1 nF)測量輸運電荷;通過電流探頭(Pearson 2877)測量總電流.電信號通過示波器(Tektronix TDS 2024C)收集并保存.石英管里產生的等離子體,利用光學石英棱鏡(ZJF40-40)進行反射并通過凸透鏡進行聚焦,進入光纖光譜儀(FX4000 EX),通過電腦進行光譜采集.電源為正弦交流電,工作頻率為10 kHz,放電氣體為干燥的空氣,工作氣壓為101.325 kPa.

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic Diagram of the Experimental Setup

2 實驗結果與討論

2.1 外加電壓對電極溫度的影響

a.接地電極; b.高壓電極.圖2 外加電壓對DBD電極溫度的影響Fig.2 Effect of Applied Voltage on the Temperature of DBD Electrodes

圖2顯示了不同外加電壓條件下接地電極和高壓電極的溫度變化趨勢.可以很明顯地看出,在外加電壓較低時,電極溫度變化并不明顯,接地電極和高壓電極的溫度變化范圍大致相同;但當外加電壓較高時,高壓電極的溫度比接地電極的溫度增加得更快,這是因為高壓電極的直流偏壓導致更多的強離子轟擊高壓電極的表面,散發出更多的熱量,所以溫度上升的速率比接地電極更快.同樣在高壓的情況下,電子-中性粒子碰撞占主導地位,碰撞變得更加劇烈,等離子體加熱也就越多[12],歐姆加熱也較多,導致電極的溫度比外加電壓較小時更高;而外加電壓較小時,直流偏壓較少,對高壓電極的影響較小,歐姆加熱帶給高壓電極和接地電極的熱量大致相同,所以在外加電壓較小的情況下,高壓電極和接地電極的溫度變化大致相同.

2.2 等離子體放電時間對電流和電荷的影響

圖3給出了在不同等離子體放電時間間隔Δt(10,30,60 s)條件下所測得的接地電極溫度變化趨勢.可以看出,等離子體放電時間t對接地電極溫度變化有著顯著的影響,等離子體放電時間越長,其電極溫度變化越明顯.這是因為等離子體放電時間越長,除了等離子體加熱較多[12]之外,歐姆加熱隨著放電時間的延長變得更多,在電極上轉化的熱量就更多,溫度也就越高.

圖3 不同等離子體放電時間間隔對接地電極溫度的影響Fig.3 Effect of Different Plasma Discharge Intervals on the Temperature of the Ground Electrode

不同等離子體放電時間對應的電流—電荷特性如圖4所示.可知,隨著等離子體放電時間的延長,輸運電荷發生了變化,輸運電荷由放電1 min時的最高61 nC到放電6 min時的最高72 nC,這與介質的介電常數(εd)變化有關,已有研究[13]表明,介質電容(Cd)隨著電極溫度的升高而升高,Cd和εd存在以下關系[13]:

(1)

其中,D表示介質層的厚度,Se表示等離子體放電區域的面積.由圖3可知,隨著等離子體放電時間的延長,電極溫度升高導致Se增加[11]Cd增加,則由(1)可知,εd增加這有利于壁電荷在介質表面的積累[14],所以輸送電荷Q增多.除此之外出現了更多的放電電流脈沖,但電流峰值減小,這與電極溫度的升高有關.當電極溫度升高時,擊穿電壓降低[10],在相同外加電壓下形成了更多的放電通道,所以電流脈沖數變多,擊穿時間提前,放電對應的外加電壓實際上減小了,所以電流峰值變小了.

a.t=1 min; b.t=6 min.圖4 不同等離子體放電時間,外加電壓、總電流和輸運電荷波形圖Fig.4 Waveforms of the Applied Voltage,the Total Current and the Transferred Charge for Different Plasma Discharge Times

2.3 等離子體放電時間對輸入功率的影響

采用李薩如圖法計算DBD的輸入功率P,計算公式如下:

(2)

其中T表示放電周期,Ua(t)和Q(t)分別表示外加電壓和輸運電荷.

a.放電時間為1,3,6 min所對應的李薩如圖; b.輸入功率隨放電時間的變化.圖5 不同等離子體放電時間,李薩如圖和輸入功率的變化Fig.5 Variations of the Lissajous Figure and the Input Power for Different Plasma Discharge Times

由圖5可見,輸入功率隨等離子體放電時間的延長而增大,由t=1 min時的P=6.72 W到t=6 min時的P=7.84 W可知,輸入功率與等離子體放電時間有密切關系.隨著等離子體放電時間的延長,輸入功率也在緩慢上升,這與圖3中電極溫度的變化趨勢是相同的.由圖4可知,隨著等離子體放電時間的增加,放電通道在變多,電流脈沖數量增多,輸運電荷增加,則由(2)可知輸入功率也在增加.

2.4 等離子體放電時間對光譜的影響

圖6 放電時間為1,3,6 min對應的發射光譜Fig.6 Optical Emission Spectra Corresponding to Discharge Times of 1,3,6 min Respectively

通過光纖光譜儀記錄了不同等離子體放電時間的氮分子發射光譜的變化,如圖6所示(黑色、紅色、藍色曲線分別對應t=1,3,6 min).隨著等離子體放電時間的延長,氮分子第二正帶系(C3u→B3g)發射光譜的譜線相對強度也在一定程度上變大了.這是因為隨著等離子體放電時間的延長,電極溫度和氣體溫度也在上升,輸入功率在慢慢地增加,導致發射光譜的譜線相對強度增強.

3 結 論

1) 通過改變外加電壓并記錄電極溫度,結果表明電極溫度隨外加電壓的升高而升高,并且高壓電極的溫度比接地電極的溫度上升得更快;

2) 延長等離子體放電時間,電極溫度隨之增加;

3) 延長等離子體放電時間,放電電流脈沖個數和輸送電荷增多,電流峰值下降;

4) 利用李薩如圖計算了輸入功率,發現輸入功率隨著等離子體放電時間延長而增加;

5) 通過光纖光譜儀記錄不同等離子體放電時間的發射光譜,結果表明隨等離子體放電時間的延長,氮分子發射光譜的譜線相對強度增強.