针-板型介质阻挡放电的光电特性

张文心，王伟伟，刘峰，樊智慧，王景全，张晋安

(河北工程大学 数理科学与工程学院，河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心,河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心，河北 邯郸 056038)

介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)是一种非平衡态气体放电，并且该放电发生在2个电极之间，可以在开放或者封闭环境中产生[1-2].DBD的优势被广泛应用于许多领域，比如在臭氧生成方面，通过DBD产生等离子体，可以有效提升臭氧浓度和产生效率[3-4]；在材料表面改性方面，由于等离子体自身活性粒子种类多、活性强，与材料表面易发生反应，因此常被用作改性处理[5-6]；在薄膜沉积方面，均匀的DBD在辉光模式和汤森模式下工作，可以保护电子元件，广泛应用于多个领域发展[7-8].在研究介质阻挡放电特性领域中，采用平行平板DBD装置相对较多[9-10]，而其他装置对于DBD的放电特性研究较少.因此，本工作在大气压下采用针-板型DBD装置，具有结构简易、耗材节约等优点，因此在诸多领域普遍使用[11-12].通过改变外加电压大小，分析在混合气体流动和不流动时，电压和电流信号、分子振动温度以及电子激发温度的变化特性，此现象的探究结果对于大气压等离子体动力学行为的深入研究具有重要意义.

1 实验装置

在这项工作中，用于研究DBD等离子体实验装置如图1所示.两端电极由直径为1.65 cm圆形铜片和2 mm实心针形铜电极组成.尺寸为84 mm×84 mm×1 mm陶瓷板插入2个电极之间并覆盖圆形铜片电极，针型铜电极插入外径6 mm、内径4 mm石英管中，放电气隙间距为1.5 mm.向石英管中注入氩气和空气的混合气体，其中氩气占90%，通过气体流量计控制气体总流速为1 L/min，使混合气体处于流动和不流动2种情况下，气体压强为1×105Pa.实验操作装置处于密闭状态.向电极施加10 kHz交流电压以执行放电，本工作采集外加电压为10～13 kV.通过高压探针(Tektronix P6015A)测量外加电压(Ua)，通过测试电容器(1 nF)测量传输电荷(Q)，并通过电流探针(Pearson 2877)测量总电流(I).由示波器(Tektronix TDS 2024C)采集电信号，由光谱仪(复享光学 FX4000EX、波长为200～1 100 nm、CCD像素为3 648)采集光谱信号.

图1 大气压下DBD实验装置示意

2 结果与讨论

当外加电压在2个极板之间增加到一定程度时，2个电极之间就会发生击穿.在本工作中，通过改变外加电压大小，在混合气体流动和不流动2种情况下，对电压和电流信号、分子振动温度以及电子激发温度等几个方面进行分析.如图2a所示是在混合气体不流动的情况下由Ua和Q所围成的Lissajous图，随着Ua增加，面积逐渐增大.结合图2b可知，P也增大，并且当Ua一定，混合气体流动时功率更高.这可能是由于在气体流动时更有利于电子从外电场获得能量与放电空间中的气体原子、分子碰撞而发生电子雪崩，因此在混合气体流动时功率较大.

图2 气体不流动时Lissajous图(a)及混合气体流动和不流动时P随Ua变化(b)

图3左右两侧分别是在混合气体流动和不流动时放电电流、外加电压和气隙电压(Ug)波形图.图3a-d中外加电压峰值分别为10、11、12、13 kV.从图3a-d中可以看出Ug峰值变化较平缓，放电电流脉冲数增多，电流峰值也逐渐增加；而在图3a′-d′中Ug峰值增加，放电电流峰值也明显变化.这可能是由于气流抑制了放电的热不稳定性，导致Ug较为稳定.同时，随着外加电压的增加，更有利于介质阻挡放电等离子体的产生，改变了放电空间中各种带电粒子和高能粒子的空间分布，使得放电电流脉冲数和峰值均增加.

a-d.气体流动；a′-d′.气体不流动

在进行介质阻挡放电实验时，放电发出光经过透镜呈现出一个最清晰的像，利用带有光纤探头光谱仪，采集了2种情况下光谱谱线，如图4a是放电在波长200～1 100 nm发射光谱谱线图.主要利用了氮分子第二正带系(SPS, N2(C3∏u→B3∏g))顺序带组Δν=-2(0→2、1→3、2→4)和Δν=-3(0→3、1→4、2→5)，采用玻尔兹曼作图法进行拟合计算分子振动温度[13]，如图4b所示.利用相对强度(Iv′v″)除以频率(νv′v″)和 跃迁概率(Av′v″)的对数与上振动能级(Ev′)的做出半对数图[14]，直线斜率的偏离程度决定Tv的误差.对于氩原子2条谱线(763.51 nm、772.42 nm)利用谱线相对强度法计算电子激发 温度[15-16]，Tv和Texc随Ua变化如图5所示.从分子振动温度整体变化曲线观察到，Tv随着Ua增加而增大，这可能是由于功率增加导致平均电子能量增加，平均电子能量增加意味着电子能更有效地激发更高的振动能级，因此分子振动温度总体上呈现出增加趋势[17].通过Texc计算结果发现，在混合气体流动与不流动2种情况下，Texc随Ua增加而略有减小，这可能是由于随着外加电压增加，高能电子与工作气体原子发生非弹性碰撞将电子能量传递到分子，因此Texc略有减小.

图4 混合气体不流动的发射光谱(a)及玻尔兹曼计算氮分子振动温度拟合图(b)

图5 在混合气体流动和不流动时Tv和Texc随Ua变化

3 结论

本工作采用针-板型装置通过改变外加电压大小，在大气压下将空气和氩气混合作为工作气体，分析了介质阻挡放电等离子体的光电特性.结果表明：输入功率和分子振动温度随外加电压增加而增大，而电子激发温度随外加电压增加而减小；当外加电压一定，气体流动时，功率变大，电子激发温度变小，而分子振动温度基本不变.

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