电源频率对大气压氦气射流等离子体放电特性的影响

李栖楠

(中国石化青岛安全工程研究院，山东 青岛 266000)

0 引言

大气压射流等离子体技术(Atmospheric Pressure Plasma Jet，APPJ)具有高电子温度、低气体温度、设备简单、操作灵活、开放放电空间等特点，在复杂材料表面处理、材料生长、生物医学及环境保护等领域有着广泛应用[1-8]，受到许多电力企业的青睐。丁正方[9]、方志[10]在大气压氩气等离子体射流阵列中加入六甲基二硅醚(HMDSO)、四氟化碳(CF4)应用于材料的表面憎水改性，并获得良好效果；刘文正等[11]研发了1种无需反应容器和真空系统的射流等离子体灭菌装置；张若兵[12]利用大气压条件的介质阻挡放电产生低温等离子体射流改善污染高温硫化硅橡胶(HTV)憎水性。除应用外，研究者们主要关注射流等离子体特性。射流等离子体放电特性及诊断研究方面，郝艳捧[13]实现三脉冲APPJ，证明放电起始阶段电流脉冲之间微弱的发光特性仍具有辉光放电结构；吴淑群等[14]利用激光诱导荧光法测量大气压低温等离子体射流中的OH自由基和O原子的粒子密度。现阶段，大气压射流等离子体放电的研究主要集中于气体改变材料特性和外加电压改变放电特性方面，针对电源参数影响射流的研究，如放电电压、放电电流特性较少。了解电源参数的影响规律不仅对APPJ的控制和装置长周期安全稳定运行具有指导作用，而且对电力企业安全生产具有重要意义。

本文以氦气为工作气体，通过改变电源电压和频率，从放电图像、放电伏安特性、放电功率3个方面，研究大气压条件下氦气射流等离子体放电的电气特性和发光图像随电源频率变化的演变规律。

1 实验装置及测量

采用同轴双环电极结构作为等离子体射流装置，选择内、外径分别为3，5 mm石英玻璃管作为介质材料，石英管长度为200 mm；采用宽12 mm，厚1 mm的黄铜带环绕在石英介质管外壁作为高、低压电极，高、低压电极间距10 mm，分别位于气流方向的下游和上游，即高压电极位于靠近石英管口一侧且距石英管口10 mm。实验气体为纯度99.99%氦气，采用质量流量计调节控制进气速度3 L/min。等离子体射流放电由高压交流电源(CTP-2000K)驱动，输出电压为0～30 kV可调，输出频率范围5～20 kHz。利用高压探头(Tektronix P6015A，1000×3.0 pF，100 MΩ)和电流探头(Pearson Electronics2877，比率50)采集放电过程电压电流信号。靠近右侧管口处的电极与测试电容(10 μF)串联用以测量低压信号。采集的电压、电流和测试电容上的低电压信号均由示波器(Tektronix MDO 3054)显示并存储。使用数码相机Sonyα6000拍摄放电图像，曝光时间0.000 8 s。使用美瑞克数字功率计RK9830N测量电路消耗功率，测试频率45～65 Hz。实验系统如图1所示。

图1 射流实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of jet experimental system

为研究气体放电能量，对不同电源频率下He等离子体射流的放电平均功率进行计算，如式(1)所示：

(1)

式中：P为放电功率，W；u(t)为电极两端电压，V；i(t)为流经电极的电流，A；T为1个放电周期，s。

2 实验结果及讨论

2.1 放电图像

主要考察电源频率分别为7.88，8.40，8.90 kHz时，施加电压在10～21 kV之间的发光图像，测量等离子体产生后直接进入空气的等离子体射流“焰”的长度，研究频率和电压对射流长度的变化规律，不同电源频率下的放电发光图像如图2所示，不同电源频率下射流长度随外加电压变化趋势如图3所示。

图2 不同电源频率下的放电发光图像Fig.2 Discharge luminous images under different power frequencies

图3 不同电源频率下射流长度随外加电压变化趋势Fig.3 Change trend of jet length with applied voltage under different power frequencies

由图2可知，在外加电压较低的初始阶段，射流长度呈增长趋势，DBD中部区域放电呈亮白色，放电颜色分布不均；随外加电压进一步升高，管口射流长度减小并逐渐稳定，放电区域的光强愈发强烈，且均匀布满石英管，射流尖端不稳定。

图3为不同电源频率下射流长度随外加电压升高的变化趋势。3种电源频率下射流长度随电压升高均呈现先增大、后减小、最后趋于稳定的状态。由于射流长度在较大程度上取决于亚稳态粒子和载能电子的有效飞行距离，初始阶段电压的升高增强了电场强度，射流亚稳态粒子和载能电子从电场中获能，使有效飞行距离延长，即射流长度变长；随着电压的进一步升高，玻璃管内电场强度持续增强，缩短了亚稳态粒子和电子等粒子寿命，阻碍了空间高速漂移的电子，直接影响了有效飞行距离[15]。同时，由于玻璃管口处和周围环境中空气含有的氮气对射流放电产生的亚稳态粒子He*存在猝灭作用[16]，在一定程度上影响了粒子飞行距离。外加电压一定时，f=8.90 kHz对应的射流长度最长，f=7.88 kHz对应的射流长度最短。如U=18.50 kV时，f=7.88 kHz、f=8.40 kHz、f=8.90 kHz对应的射流长度分别为28.2，28.7，31.5 mm，最大差值3.3 mm。这可能与放电局部的气流形态变化和电场畸变有关。

2.2 伏安特性

当电源频率f=8.40 kHz时，外加交流电压峰峰值分别为U=10.50，13.58，16.06，20.06 kV时，电流峰峰值分别为1.74，1.77，1.92，2.06 mA，大气压氦气射流等离子体的电压电流波形如图4所示。

由图4可知，当f=8.40 kHz时，不同外加电压下放电正负半周期内的电流脉冲符合辉光放电的特征，呈现个数不对称、幅值大小不相等的分布特点。由图4(a)～(b)可知，当外加电压较低时，放电主要发生在电压上升沿，除主电流脉冲放电，还存在部分幅值微小的电流脉冲；由图4(c)～(d)可知，随着外加电压持续增大，正负半周期内的放电脉冲个数逐渐增多，电流脉冲曲线出现明显畸变。原因是外加电压较低时，电极内表面累积的电荷在管内不均匀电场的作用下依次产生放电，随着外部电压的持续升高，未熄灭的放电被瞬间增强，放电程度愈发剧烈[15-16]。

图4 电源频率f=8.40 kHz时外加电压与放电电流波形Fig.4 Waveforms of applied voltage and discharge current at power frequency f=8.4 kHz

当电源频率分别为7.88，8.90 kHz时，He射流等离子体放电的起始电压随着电源频率的增大而升高。此2种电源频率实现稳定放电后，升高外加电压后得到的放电伏安特性曲线如图5所示，电流变化趋势与图4相同，不再赘述。

图5 不同电源频率下外加电压与放电电流的关系Fig.5 Relationship between applied voltage and discharge current under different power frequencies

2.3 功率特性

改变电源频率，通过功率计测量整套装置消耗功率，考察放电时装置消耗总功率与施加电压的关系，如图6所示。当外加电压U=18.50 kV时，3种电源频率7.88，8.40，8.90 kHz对应的消耗功率分别为28.02，28.60，29.27 W。同时，3种频率下的放电消耗功率均随着外加电压的升高而不断增大。

图6 不同电源频率下消耗功率与电压的关系Fig.6 Relationship between consumed power and voltage under different power frequencies

He射流等离子体放电平均功率与外加电压的关系曲线如图7所示。电压升高的初始阶段(10～15 kV)，电源频率的变化对放电功率的影响不大，如U=14.40 kV时，电源频率7.88，8.40，8.90 kHz分别对应的放电功率分别为2.276，2.460，2.539 W；随着电压的持续升高，放电变得更加剧烈，如U=18.50 kV时，电源频率7.88，8.40，8.90 kHz对应的放电功率分别为4.282，3.992，4.791 W，即同一电压下，P(f=8.90 kHz)>P(f=7.88 kHz)>P(f=8.40 kHz)。

图7 不同电源频率下放电功率与电压的关系Fig.7 Relationship between discharge power and voltage under different power frequencies

3 结论

1)在放电图像方面，在7.88，8.40，8.90 kHz 3种电源频率下，电压初始升高时，等离子体射流长度均随外加电压的升高而增大，电压持续升高，放电现象逐渐强烈，射流长度区域稳定，射流尖端出现径向摆动现象；同一电压下，f=8.90 kHz对应的射流长度最长，f=7.88 kHz对应的射流长度最短。

2)在伏安特性关系方面，在外加电压的正负半周期内，电流脉冲呈现个数不对称、幅值大小不相等的分布特点，且随着外加电压的升高，电流脉冲个数增多、脉冲曲线产生畸变，符合辉光放电特征。

3)在等离子体射流装置功率方面，对于消耗功率，外加电压相同时，电源频率的改变对氦气射流放电的消耗功率影响不大；对于放电功率，在电压升高的初始阶段(10～15 kV)，电源频率的变化对射流放电功率的影响不大，最大功率差为0.263 W，外加电压持续升高，f=8.9 kHz对应的射流放电功率最大、f=8.40 kHz的射流放电功率最小。