基于斯塔克理论的水中电弧放电电子密度光谱诊断

兰生，章婧

（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350108）

基于斯塔克理论的水中电弧放电电子密度光谱诊断

兰生，章婧

（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350108）

针对水中火花放电引起的等离子体电子密度的检测问题，根据光栅光谱仪检测到的光谱谱线，结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论，以及放电区域处于局部的热力学平衡状态，根据等离子体谱线特征，提出了诊断水中放电等离子体的电子密度方法，依靠所测到的光谱谱线计算出水中火花放电的电子密度，计算结果表明:当电极间距为3 mm，放电电压为1 000 V时，水中电弧放电电子密度为1.619 9×1021m－3。提出的方法可以作为一种水中放电等离子体诊断电子粒子密度的方法。

水中电弧放电;等离子体诊断;等离子体电子密度;光谱诊断

0 引言

一些研究者利用不同形状点电极在水中进行不同类型的高压脉冲火花放电，Hayamizu研究水中火花放电所发出的紫外线，及放电产生的活性化学物种［1－2］。文献［3］研究了水下火花放电的电流特性。关于水中液体放电的发射光谱有一些详细报道，在这些文献中利用发射光谱在200～1100 nm波长处对水中放电生成的物种·OH，H，O有详细的定性分析［4－6］。Clements等［2］利用水中放电等离子体进行有机物降解的研究。有些报道关于放电的状态可以用发射光谱法进行诊断和测量［7］。关于水中放电发射光谱研究，文献［5］光谱检测了放电过程中含有H，O和·OH。然而，目前的大多数放电光谱诊断方法只提供定性判别，在水中放电等离子体诊断的应用过程中，本文对水中脉冲电压引起的火花放电过程进行了研究，利用光谱仪检测水中火花光谱的分布，利用斯塔克效应和放电光谱谱线对放电形成的等离子体密度进行计算，此种方法为定量地测量水中等离子体方面提供了一种重要的研究方法。

1 发射光谱诊断系统原理和实验

根据量子理论，当原子的电子从高能级轨道跃迁到低能级，会辐射出一定波长的光子。相反，原子吸收激发能，促使电子由低能级跃迁到高能级上，并发射出光子。具有一定动能的电子碰撞原子的电离公式为

式中:Ui为电离电位;m为质量;v为速度;辐射出相应频率为ν的光子有

激发态粒子从高能级E2，跃迁到低能级E1。

根据等离子体发射光谱的强度和谱线特征，可确定激发态电子的密度，这种方法可以作为等离子体诊断的方法之一。等离子体粒子的光谱诊断有发射光谱法、吸收光谱法和激光诱导荧光法。本文采用发射光谱法。

系统结构框图如图1所示，等离子体光谱诊断系统主要部件包括:等离子放电反应器、光栅光谱仪、数据采集器和计算机。

图1 等离子体光谱诊断系统Fig.1The system of plasma spectrometry diagnosis

实验系统工作原理:如图1所示，放电反应器在放电时，会产生等离子体发射光谱，光通过透镜聚焦增强后，光进入光栅光谱仪进行数据采集，光谱仪采集到的光谱通过数据采集器和计算机存储显示。这个实验系统可以测量放电等离子体的发射光谱强度和谱线分布，然后根据不同原子发射的谱线波长和光强度，通过光谱理论诊断等离子体的状态，得到等离子体的电子温度、电子密度等参数。对等离子体进行定性及定量分析。

由于通过光谱测量系统得到等离子体射流的发射光谱强度与等离子体射流的电子温度、电子密度和其他粒子成分等参数相关，所以，可获得等离子体通道内电子和其他粒子的密度和温度信息。对水放电发射光谱进行全程扫描，按·OH、O和H发射的特征波长，确定放电存在·OH、O和H。经计算后可得到对应的粒子密度。

［6］放电峰值电压为+11 kV，电导率为23 μs/cm，针板电极的距离是10 mm;对水蒸气放电发光进行全程扫描光谱发射谱线的位置，H（656 nm），O，·OH（309 nm）发射谱线的位置。在参考文献［5，8］中同时测得。

放电时，水分子被电子直接碰撞分解成一些粒子，其中O、H原子是这个反应的主要生成物。如果提高放电电压，注入放电等离子体的功率相应增大时，电子密度和电子的动能也会增大，可以生成更多的O、H活性粒子，发射光谱强度也随之增强，例如O（544 nm），H（n=3－2）656 nm是其中的发射谱线。

O、H原子的主要生成反应为

式中，电子碰撞水分子，产生电离，同时形成激发态的粒子。这些反应均为电子直接碰撞解离反应。当升高电压和电源功率时，高能电子密度和电子平均能量均会增大，生成了更多的O，H活性原子，它们的特征谱线有:O为544 nm，H（n=3－2）为656 nm的发射光谱强度随着电压和功率升高而增强，以及O（3Ρ5Ρ）的相对布居也随之增多。

图1为进行水放电的实验示意图，电极为针－针结构。电极在高压作用下，放电电极间距是3 mm，放电电压是1 000 V，对水放电。在水中放电能产生O和H等，通过发射光谱法测量它们的光谱分布参数，根据理论对等离子体进行诊断。

图2和图3为本文利用三光栅扫描仪所测得的相应的发射强度和特征谱线。这个实验测得的结果与文献［6，10，11］的结果类似，由谱线可见，在可见光区的谱线:氢原子Hα（n=3－2）（656.3 nm），Hβ（486.1 nm），Hγ（434.0 nm）;O（3Ρ5Ρ→3S5） 777 nm。

图2 水中放电的H原子发射谱线分布Fig.2Distribution of emission spectrum line of hydrogen atom discharging in water

图3 在针－针电极作用下的水中放电光谱图Fig.3Spectrogram of discharging in water by needle-needle electrodes

2 放电电极的光谱

图4表示，利用光谱仪测得的部分谱线，其中包含有3条铜原子发射谱线，波长分别为511.39 nm，516.4 nm，522.2 nm，文献［11］中铜的光谱谱线也是这一谱线分布规律。

图4 水中放电铜电极的发射光谱Fig.4Emission spectrum of copper electrode discharging in water

3 等离子体光谱诊断

3.1 H原子发射光谱

如果放电时产生的等离子体电子密度和能量足够大时，利用发射光谱谱线展宽的斯塔克效应测定电子密度是最有效的方法。电场引起光谱项及谱线分裂，并使光强度中心频移的物理现象称为斯塔克效应。根据斯塔克谱线展宽理论，水中放电等离子体中粒子发出光辐射受到周围电子的微观电场干扰，根据准态微场理论，这种干扰会在谱线的轮廓上反映出来，由这一干扰因素造成的谱线展宽，谱线的展宽程度与等离子体的电子密度有关，测量谱线轮廓的半高全宽，根据计算公式可得到电子密度。

对于氢原子，斯塔克效应是线性展宽，它的谱线展宽与电子密度有关，这时谱线轮廓的半峰宽，与电子密度关系式［12］为

表1为H原子的巴耳末谱线的特征波长，H原子处于不同的激发态能级间跃迁，辐射出相应波长的光。

表1 氢的巴耳末谱线系波长Table 1Balmer’s spectrum wavelength of hydrogen atom

图5为利用光栅光谱仪检测到的H原子光谱数据，从图中可以看出，Hβ（486.133 nm）、Hγ（434.047 nm）的光强度分别为116、34。

图5 H原子的发射光谱谱线Fig.5Emission optic spectrum line of H atom

3.2 等离子体粒子密度诊断

假定放电处于局部的热力学平衡状态，根据双谱线比值法，可以得到等离子体温度［5，12］。

由图5可知，H原子的巴耳末谱系中的相对辐射强度IHβ=116，IHγ=34，代入式（4）解得T= 9212k;根据斯塔克效应，可得斯塔克展宽效应图，把图5的H原子谱线放大展开，Hβ谱线见图6。由图中可知Hβ谱线轮廓的半峰宽原子得，Ne=1.6199×1021m－3。

图6 Hβ的发射谱线展开图Fig.6Unfolded drawing of Hβemission spectrum line

4 结论

利用发射光谱技术，测量了放电中产生的O原子，H原子和Cu原子的发射光谱谱线。在假定等离子体达到热力学平衡或局部热力学平衡状态下，利用谱线展宽的斯塔克效应，求得了电子密度，此种研究方法能对水中放电的等离子体粒子密度进行定性和定量诊断，为此类研究提供参考。

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（编辑:刘琳琳）

The spectrum diagnosis of electron density caused by spark discharge in water based on Stark theory

LAN Sheng，ZHANG Jing
（College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

In order to measure electron density caused by the plasma arc discharge in water，according to the cause of plasma emission wavelength characteristic plasma in water discharge by the spectrometer and using the Stark line broadening theory，the method was put forward that diagnosis electronic density of water discharge plasma when the plasma belongs to the equilibrium plasma state in the center region.The electron densities were calculated by the spectrometer spectral lines using Stark line broadening theory theory.The calculation results show that:when the electrode spacing is 3mm，the discharge voltage is 1000V，according to the detected spectrum and the water of spark discharge electron density of 1.6199× 1021m－3.The proposed method can be used for the diagnosis of water discharge plasma particle density.

spark discharge in water;plasma diagnosis;plasma species density;spectrum diagnosis

10.15938/j.emc.2015.03.015

TM 8

A

1007－449X（2015）03－0096－04

2014－05－13

福建省自然

（2011J01296）

兰生（1971—），男，博士，副教授，研究方向为高电压与绝缘技术;

章婧（1991—），女，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术、高压脉冲放电。

章婧