（等离子体物理专业论文）一种新型的dbd大气压低温等离子体射流.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了一种设计简单，容易起辉，易于维持，运行稳定，重复性高，适于集成 的新型毫米量级大气压冷等离子体射流发生技术。这种射流可以在大气压条件下，利用 几种工作气体( 如a r ，h e ，n 2 ) ，通过毛细管介质阻挡放电( d b d ) 的方式实现。 使用的电源是频率3 0 5 0 删z 可调，峰值电压为1 2 k v 的可调交流电源，放电管长度 是1 0 0 m ，外径是7 m ，内径是4 m 。利用a r ，h e ，n 。等工作气体，在毛细管内形成了稳 定的冷等离子体射流。放电区域的光辐射空间分布利用摄像机记录，从中研究放电形态 和空间分布，观察到了在d b d 区间的流动气体放电和在毛细管出口处形成的等离子体射 流。在d b d 区域，气体静止时发生的是丝状放电，随气流速度的增加逐步转为类辉光放 电。在毛细管出口处的等离子体射流区，等离子体的发光强度随气体种类和流速的不同 而明显改变。利用焓探针测量气体的流速，得到了在不同气体中形成等离子体射流的临 界气体流速是3 8 m s 。射流的射程随气体流速的增加而增加，不同气体产生的射流射 程差别很大，当h e 流速为2 0 m s 时，其射流最长达到4 4 r a m 左右。但当h e 流速超过 2 0 m s 时，h e 等离子体射流就变得不稳定，出现涡流，而且射程变短。 利用发射光谱仪测量了氦气射流在近紫外和可见波段的发射光谱，其中，利用h e 原子的发射光谱，可通过b o l t a m a n 图解法计算射流等离子体的激发温度，该温度在 2 0 0 0 k - 3 0 0 0 k 之间，远低于大气压电弧射流的激发温度；根据氮离子的发射光谱，通过 光谱模拟的方法计算了氮离子的转动温度，该温度在2 9 0 k 一3 8 0 k 之间。射流的激发温度 和转动温度结果显示，这是一种冷的等离子体射流。 利用电流探头和电压探头测量了放电的电流和电压波形，并比较了改变放电电压和 气体流速对放电电流的影响，通过得到的典型的大气压辉光放电电流曲线，说明利用这 种装置能形成稳定的大气压类辉光放电，至少是抑制了丝状放电的发生。 关键词：大气压冷等离子体射流激发温度转动温度大气压类辉光 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 c h a r a c t e r i z a t i o no fan o v e ld b d a t m o s p h e r i c p r e s s u r ec o l d p l a s m aj e t a b s t r a c t an o v e ld i s c h a r g es c h e m et og e n e r a t ea t m o s p h e r i c p r e s s u r ec o l dp l a s m a j e t a tm i l l i m e t e r s c a l ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ed i s c h a r g ei se a s yt oi g n i t ea n ds u s t a i nv i aac o a x i a l c o l u m n a rd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g ec o n f i g u r a t i o n a n dt h er e s u l t a n t p l a s m a j e t t h a tc a r lb e e a s i l y p r o d u c e d w i t h h i g h r e p e a t a b i l i t y i s h i g h l y s t a b l e t h es c h e m e c o n f i g u r a t i o n i s d e s i g n e d t o b e a p t f o rm u l t i p l i c a t i o na n d i n t e g r a t i o n , b y w h i c ha p l a s m a j a ta r r a y c a l lb ea c h i e v e dt oo b t a i n l a r g es c a l ep l a s m a a ta t m o s p h e r i c p r e s s u r e t h e c o l dp l a s m a j e th a sb e e na c h i e v e di ns o m e w o r k i n gg a sf l o w s ( s u c h a s a r , h e ，n 2 ) a ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ew i t hc a p i l l a r yd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ( d b d ) s t e a d yn o n - e q u i l i b r i u mp l a s m a j e t sa r eo b t a i n e d i i la c a p i l l a r yd i s c h a r g et u b e ( 1 0 0 m m l o n g ，7 m m ，4 m m 缸o u t e r a n di n n e rd i a m e t e r ) f e dw i t hg a sf l o w so f a r , h e ，n 2 ，d r i v e n b y a p o w e r s o u r c ew i t h1 2 k v p e a kv o l t a g e a n d a d j u s t a b l ef r e q u e n c y i nr a n g eo f 3 0 5 0 k h z t h e s p a t i a lp r o f i l eo f t h ep l a s m a j e t sh a v e b e e n i n v e s t i g a t e dw i t hr e s p e c t t od i s c h a r g ec o n d i t i o n so f v o l t a g ea n dg a sf l o w i n gv e l o c i t y t h r o u g hi m a g i n g t h e i rs p a t i a lo p t i c a le m i s s i o nd i s t r i b u t i o nb ya v i d e oc c dc a m e r a t w od i f f e r e n tn m n i n gm o d e sa r ei d e n t i f i e d ，o n eo f w h i c hi st h ed b da r e a i i lf l o w i n g w o r k i n gg a sa n d t h eo t h e ri st h e p l a s m a j e tr e g i o nf o r m e d o u t s i d et h e c a p i l l a r ys p o u t i n d b d a r e a , f i l a m e n t a r y d i s c h a r g ec a n b e o b s e r v e d i ns t a g n a t i n g g a s ，b u t a t r a n s i t i o n t o g l o w l i k ed i s c h a r g ew i l lo c c u rw h e n g r a d u a l l ys p e e du pg a s f l o wt os o m ec r i t i c a lv e l o c i t yf o rc e r t a i n k i n do f w o r k i n g g a s t h ep l a s m a j e t s w i l lf o r mn e a rt h e c a p i l l a r y e x i tw h e nt h e g a sf l o wi s a b o v et h ec r i t i c a lv e l o c i t y , w h i c ht a k eo na n a p p e a r a n c e l i k eac o n i c a lf l a m ea n dw h o s e l i g h t e m i s s i o ni n t e n s i t yv a r i e sal o ta td i f f e r e n tf l o w i n g v e l o c i t ya n d f o rd i f f e r e n tw o r k i n g g a s e s t h e c r i t i c a lv e l o c i t i e so f 心，h e ，n 2 w o r k i n gg a s e s h a v eb e e ni d e n t i f i e dt ob ei nr a n g eo f 3 8 m sf o r f o r m a t i o n o f p l a s m a j e t b y m e a n s o f a w e l l - d e s i g n e d p i t o t e n t h a l p y p r o b e t h e j e tr a n g e h a s a l s ob e e nm e a s u r e df r o mt h ei m a g i n g i n v e s t i g a t i o na n d b e e nv e r i f i e d b e c o m i n gl o n g e r p r o p o r t i o n a l l y w i t h h i g h e r f l o w i n g v e l o c i t y o f w o r k i n g g a s h o w e v e r , t h e j e t r a n g e d i f f e r sv e r y m u c hf o rd i f f e r e n tg a s e s am a x i m u m j e t r a n g eo f 4 4 m m f o rh e l i u m p l a s m a j e t i so b t a i n e da t f l o w i n gv e l o c i t yo f 2 0 m s ，b e c a u s e t h eg a sf l o wb e c o m e st o r r e n tw h e nt h e n v e l o c i t ye x c e e d s 2 0 m s d u e t o v i s c o s i t y o f h e l i u m a n d t h e r e f o r et h e j e t r a n g e b e c o m e s s h o r t e r t h ee m i s s i o n s p e c t r ao f t h e h e l i u mi e ti nv i s i b l ea n dn e a ru vb a n di sm e a s u r e dt o c a l c u l a t et h e j e t t e m p e r a t u r eb y a ne m i s s i o ns p e c t r o m e t e r s y s t e m i na n ys p e c t r ao f h e l i u m j e t ， 大连理工大学硕士学位论文 t h e r ea p p e a rs o m e s p e c t r a ll i n e sf r o m h e l i u m a t o m ，t o g e t h e r w i t hs o m e s p e c t r a b a n d sf r o m n i t r o g e ni o na n d m o l e c u l e b e c a l l s et h ep l a s m a j e ti sr u nu n d e re n v i r o n m e n t o f a t m o s p h e r e a i r a n d t h e n i t r o g e nc o m p o n e n t o f a i r p e r m e a t e s i n e v i t a b l y i n t o t h e h e h u m f l o w t h es p e c t r u m f r o m h e h u m a t o m i s u s e d t o f i g u r e o u t t h ee x c i t e d t e m p e r a t u r e o f h e l i u m p l a s m a j e t b y a s o c a l l e db o l l z m a n np l o ts c h e m e i ti se v a l u a t e dt h a tt h ee x c i t a t i o nt e m p e r a t u r e o f h e h u r n j e t u n d e r v a r i e dd i s c h a r g ec o n d i t i o n si si nr a n g eo f 2 0 0 0 k - 3 0 0 0 k , w h i c hi sm u c hl o w e rt h a nt h e t y p i c a l t e m p e r a t u r ef o ra t m o s p h e r c a r cp l a s m a j e t m e a n w h i l e ，t h er o t a t i o n t e m p e r a t u r eo f n i t r o g e n ， w h i c hi su s u a u y e q u a l t ot h et h e r m o d y n a m i c t e m p e r a t u r e o f t h e p l a s m a j e t , i s c a l c u l a t e dt ob e 2 9 0 k - 3 8 0 k b ys i r n l l l a t i n gt h ef i r s tn e g a t i v eb a n do f n i t r o g e n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so f e x c i t a t i o na n dr o t a t i o nt e m p e r a t u r ec o n s i s t e n t l yi l l u s t r a t et h e p l a s m a j e t i sn o n - t h e r m a li nn a t u r e m o r e o v e r ，t h ed i s c h a r g ec u r r e n t a n dt h e v o l t a g ew a v e f o r m s h a v ea l s ob e e nr e c o r d e d b y ac u r r e n tp r o b ea n d h i g h - v o l t a g ep r o b e i na s t o r a g eo s c i l l o s c o p es i m u l t a n e o u s l y t h et e n d e n c y o f d i s c h a r g e c u r r e n tw i t h v o l t a g e a n d g a sf l o w i n gv e l o c i t y i sa l s oi n v e s t i g a t e d ，i nc o n c l u s i o n ， t h e p r o f i l eo f d i s c h a r g e c u r r e n tp u l s ei si nl i n ew i t ht h a to f a t y p i c a la 血o s p h 商cg l o wd i s c h a r g e ， a n dt h e r e f o r es t a b l ea t m o s p h e r i cg l o w - l i k e d i s c h a r g eh a sb e e n p r o d u c e db y t h e p r e s e n t e d n o v e l d i s c h a r g e s c h e m e a tl e a s t ，t h em o s tc o m m o nf i l a m e n td i s c h a r g ef o rd b di ss u p p r e s s e d k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i cp r e s s u r e c o l d p l a s m aj e t ；e x c i t a t i o nt e m p e r a t u r e ； t h e r m o d y n a m i ct e m p e r a t u r e ；a t m o s p h e r i cg l o w - l i k ed i s c h a r g e - 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：盈! 立日期：翌竺：! ：z 大连理工大学硕士学位论文 引言 大气压冷等离子体射流是近年来兴起的一种新型大气压类辉光等离子体发生技术， 是目前国际上等离子体应用领域的研究热点。现在，实验室产生大气压等离子体的方法 很多。其放电形式可分为：大气压下的介质阻挡放电、大气压下的电弧放电、大气压下 的电晕放电、大气压下的等离子体射流。由其供电系统的不同，可分为：交流大气压等 离子体和直流大气压等离子体。对于交流大气压等离子体，由其电源的交流电频率不 同，可分为低频和高频大气压等离子体；据其电极的形式不同可分为复合针状电极、平 行板电极、毛细管电极以及介质阻挡型的电极，不同的发生装置会产生不同性质和类型 的大气压等离子体。其中，电弧放电等离子炬和电晕放电，已经被广泛应用于材料的处 理和去污方面。电弧放电多用于用高温等离子炬集中进行大面积的材料处理方面，包括 表面喷涂、焊接和表面刻蚀等，而电晕放电应用于污染物的去除过程。研究发现：大气 压微型冷等离子体射流表现出许多低气压辉光放电的优点，如：体积小，温度低，放电 成本低，以及电子密度高至1 0 ”c m 。3 等 1 ，所以在科学和工程领域引起了关注。 1 介质阻挡放电的放电原理及其应用 介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间中的一种气体放电，与火花放电相比，它 不会发出巨大的击穿响声，所以也被叫做无声放电。它包含了两个电极，其中至少有一 个覆盖着绝缘介质。两电极极板间的距离大约为几毫米，提供的电压大概为2 0 k v 。这 种放电表现很均匀、漫散和稳定，貌似低气压下的辉光放电，实际上，它是由大量的快 脉冲放电通道构成的，这些微放电在时间和空间上任意分布，寿命约为1 0 纳秒，而电流 密度却可高达0 1 - - 1 k a c m z 。 2 变范高电 压授生嚣 睁睁 图1 1 典型的介质阻挡放电间隙结构 图1 1 是典型的介质阻挡放电的间隙结构图。介质阻挡放电的特点是电流回路中除 了放电间隙以外，在电极间还有填加了一层或多层绝缘介质，介质可以覆盖在电极上或 者悬浮在放电空间中，当放电电极上加载足够高的交流电压时，电极间的气体即使在很 警 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 高气压下也会被击穿而形成介质阻挡放电。介质的存在避免了电极之间的直流击穿放电 的形成，从而可以在放电间隙得到空间上分布较均匀的气体放电而不是弧光或者火花放 电通道。通常放电空间的气体压强可达到大气压水平或更高，所以这种放电属于高气压 下的非平衡放电。常用的气压范围为1 0 4 - - 1 0 6 p a ，频率范围为5 0 - - i i v i l - i z ，气体间隙从 几微米到几厘米变化时，相应的放电电压也在几百伏到上万伏特变化。 介质阻挡放电已经被应用于一些材料处理过程 3 ( 包括清洗材料表面以及加速聚合 物的化学气象沉积等) ，还可用于制备臭氧【4 】、样品杀菌 5 ，以及近来发展起来的等 离子体光源和等离子体平面显示( p d p ) 等。 2 大气压冷等离子体射流 大气压下的辉光放电等离子体无论在传统的材料制造、加工和改性等应用领域，还 是在新兴的环境工程、生物工程、基因工程和等离子体化工等领域都表现出了独特的工 艺优势和良好的应用前景，因为它既具有传统高气压放电体系载能粒子密度高、系统结 构设计空间大、经济和工艺处理速度快的优点，又具有低气压辉光放电等离子体的介质 温度低和空间均匀的优点。目前已实现了大气压辉光的介质阻挡放电模式的工艺设计， 但由于等离子体发生空间狭小，维持厨难，重复性低等原因，要将其应用于生产工艺过 程还有一定的困难。因此发展新型的较经济的并且易于规模化放大的大气压辉光等离子 体发生技术仍是目前低温大气压等离子体研究的目标。大气压冷等离子体射流是近年来 兴起的一种大气压类辉光等离子体发生技术，虽然大气压冷等离子体射流不是辉光等离 子体，但是其低温特点和良好的可控制性使其在应用领域表现出某些优势。 目前，大气压冷等离子体射流技术的应用主要集中在以下几个领域：( 1 ) 利用化 学活性气体( 如：h e 0 2 ，a r 0 2 混合气) 产生的等离子体射流对聚合物、高分子等材料 表面的亲水性和染色性进行改良 6 。 2 ) 利用氩气的等离子体射流进行铜、铝、硅等 金属、非金属材料、聚合物材料等的表面刻蚀成型加工 7 ，这是物理刻蚀过程，可以 实现很高的定向刻蚀，抑制旁刻。等离子体射流的微型化，将使之在微机械部件的加工 领域会大有作为。如果实现纳米化射流并形成等离子体芯片 8 ，由此可以设想，这在 微电子、集成光学器件和d n a 芯片的加工制造技术领域将会引发一场技术革命。 ( 3 ) 利用a r 、h e 产生射流，并混合以碳源气体或硅源气体，进行金刚石薄膜、其他碳质硬 膜和硅薄膜的快速生长 9 ，若混以化学反应性混合气体，可进行化合物细粉的制备。 如果能够实现大量大气压冷等离子体射流的均匀稳定并行运行，可以产生均匀开放的大 面积类辉光大气压等离子体，这将是一种新型、经济、运行参数空间广阔的大气压等离 子体发生技术。 2 一 大连理工大学硕士学位论文 目前，已提出的一些产生微型等离子体及其射流的技术有：大气压微型冷等离子体 及其列阵化等离子体源可以通过直流微空心阴极列阵三极放电技术实现 1 0 ，11 1 ，也可 通过在小电极间隙平行板间的射频或高频功率源容性耦合放电得n 1 2 ，冷等离子体射 流通常可由石英介质阻挡毛细管射频容性耦合 1 3 或感性耦合放电得至l j 1 4 。但在这些 技术中也存在着一些缺点：一方面，一般来说利用直流微空心阴极列阵产生微型等离子 体的放电中经常会发生阴极溅射 1 5 ，从而导致电极结构被损坏，影响等离子体产生装 置的寿命；另一方面，介质阻挡毛细管射频放电中，当射频功率输入超出某一范围时， 产生的射频等离子体射流容易转化为不稳定的电弧而热化。另外在小的腔体内，因为在 器壁上会损失很多电子，所以等离子体难于维持，尤其是由射频驱动的等离子体，无法产 生足够有效的”空心阴极”效应，所以，射频放电需要有高于1 0 。v 的射频电压才行 1 6 ， 1 7 。 基于对上述微型等离子体及其射流技术的优缺点研究，可以证实，对于射频激励微 型等离子体射流放电，辅助以一个脉冲高压点火电极，将更易于触发和维持 1 8 。由此 设想，若辅助以一个交流高电压电极，用于发生d b d 放电，其产生的等离子体作为种 子带电粒子，就更易于实现射频放电而产生等离子体射流。本实验采用的是一种设计简 单、运行稳定的新型石英毛细管介质阻挡放电装置，它能够在石英毛细管内的流动气体 中形成毫米量级的大气压冷等离子体射流。这种射流可以在多种工作气体( 如a r , n 2 及它们的混合物) 中并在大气压条件下实现，石英毛细管介质阻挡放电由重复频率为, h e 3 0 - - 5 0 k h z 峰值电压为1 2 k v 的电源实现。放电的光辐射利用c c d 摄像机记录，从放 电的光学亮度可以研究放电的形态和空间分布，观察在d b d 区间的流动气体放电和在 毛细管出口处形成的等离子体射流。在d b d 区域，气体静止时发生的是丝状放电，随 气流速度的增加逐步转为均匀放电。在毛细管出口处的等离子体射流区，等离子体发光 强度随气体种类和流速的不同而明显改变。我们将利用自行设计的焓探针测量气体的流 速，研究了气体流速与d b d 放电和在毛细管出口处形成的等离子体射流形态的关系。 用发射光谱仪测量了放电产生的光谱，通过光谱计算了等离子体的激发温度和转动温 度，并得到了温度随放电条件变化的趋势。用示波器对射流进行了一部分电学测量。 3 理论意义和应用价值 本文的研究对象采用的放电装置在大气压条件下即可稳定放电形成等离子体，所以 即使其电离度低于低气压辉光放电，其高放电气压也保证了可以获得具有高密度电子和 离子的等离子体。与低气压等离子体发生装置相比，省略了真空维持和检测系统，所以 3 一 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 大气压等离子体在工业生产中，不仅处理效率高，而且适宜于流水线工艺过程，节省能 源、降低成本。 大气压冷等离子体射流产生的等离子体处于低温非平衡状态，因此在工业中的应用 范围较高温等离子体会更广阔，可以用于沉积和刻蚀一些对高温较敏感的薄膜和工件。 本文研究的大气压冷等离子体射流发生装置体积很小，节省空间，可灵活移动，这 样不仅可以处理一些很细小的工件，还可以将某些样品置于等离子射流边缘区域，通过 电离气体的流动和喷射进行表面性质的改善，如有机材料表面的亲水f 生和染色性。 本文的研究不仅为这种新型的大气压冷等离子体射流发生技术提供工艺参数数据， 揭示其运行特点，积累这类等离子体的物理特性数据，而且结合等离子体诊断研究结 果，分析此类放电过程的机理，探寻其物理规律。 发射光谱方法，作为一种非接触式测量技术，是十分理想的等离子体诊断方法。对于 大气压等离子体，传统的适用于低气压等离子体诊断的静电探针方法是不可使用的，因 此发射光谱诊断方法就成为大气压等离子体的最为容易实现的诊断手段，虽然这种光谱 方法能够给出的等离子体特性信息是不全面的，相对的，但是其简单易行使之成为首 选。通过发射光谱测量，不仅能获得等离子体的各种原子，分子和离子成分的相对含量 的信息，还可以获得分子的转动温度、等离子体密度和激发温度等重要参量。本文利用 发射光谱诊断法测量了冷等离子射流的激发温度和离子转动温度，证明了这种等离子射 流确实处于低温状态。等离子体的低温特征对于大气压等离子体在工业中的大规模应 用，和发挥等离子体对材料加工的优势是非常必要的。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 等离子体的温度及其诊断 1 1 等离子体的温度 物体的温度是热平衡状态下物体中分子热运动能量的统计平均量的反映。从统计 热力学的观点，热力学体系的温度与粒子运动的随机性联系在一起。处于热平衡状态的 气体中，粒子的速度服从麦克斯韦分布： f ( v x ，v yv ：) = a e x p 一去埘。( v x 2 + v ，2 + v ：2 ) ( _ i 疋) ! 其中a = n m 。( 2 础l ) 2 ，n 为粒子数密度，m 。，l 分别是粒子质量和温度。k 为 波尔兹曼常数。粒子的平均动能为： e ：堡坐薯：生竺型竺! 三七丁 肛可而i 万巧丽_ 2 严 ( 1 2 ) 即气体粒子每一自由度的平均能量等于去七疋。等离子体热力学研究的是存在电离 z 现象的物质系统，因而从统计观点考虑时，需区分讨论激发温度，电离温度等不同的温 度概念。当外界向等离子体供给能量时，不仅可以改变粒子的平均动能，而且可以改变 其它自由度的能量状态。这样，针对某种粒子不同类自由度的平均能量就可以定义不同 的温度，只有处于完全热力学平衡时对应各自由度定义的温度才相等。 1 1 ，l 平动温度 m a x w e l l 定律给出了平动速度在v 和v + 咖之间的任何一种粒子的数目d n f l 9 d n = 4 e r m 丢吲一筹2 k ，巩 、2 石尼z ， 一 l 7 5 ( 1 3 ) 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 式中n 是所研究组分的粒子总数，m 是该粒子的质量，尼是b o l t z m a n n 常数，0 是平动温度。 1 1 2 转动温度 分子气体温度不太高时会激发转动自由度。转动能量为 2 0 】 e ：h 2 j z ( j 万+ 一1 ) ：h c s e j ( ：+ 1 ) 8 万2 ， ( 1 4 ) 式中，_ l ，2 ，是转动量子数，是分子转动惯量，b e = i 耋万是转动常数( m - 1 ) 转动态分布处于热平衡时，分布在转动状态j 的分子数为： m = ( ：川) 篑e x p - 掣艺鲨】 ( 1 。5 ) 式中n ( j ) 表示原予，离子或分子处于给定的转动能级的布居数，为总粒子数 乙，即为转动温度。 l - 1 3 振动温度 n 个双原子分子的振动能量可由普朗克函数表示【2 1 耻毒 e x 口l i l ( 1 6 ) 式中v 为分子振动频率，l 即为振动温度。在经典条件下a v l o - 4 a ，反之，如果能级寿命很长，则 丸 一vill￥掣sg一兰叠o 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 形，此时，射流刚刚形成，长度也很短，由图可见，此时的放电电流还不是单峰的，而 是还有一部分丝状放电存在，当气体流速增加时，如图4 1 7 ( b ) ，此时的气体流速为 1 0 m s ，电流值有所增大，丝状放电也基本被抑制了，当气体流速再增加时，如图 4 1 7 ( c ) ，此时的气体流速为1 8 m s ，电流值继续增大，已经看不到丝状放电的迹象 了。说明气流对抑制丝状放电是有一定作用的。电流幅值随气体流速的变化趋势见图 4 1 8 。 4 8 t_】|ibed，【g-莹po |，ljol芏售$i 大连理工大学硕士学位论文 图4 1 7 不同流速下的h e 放电电压电流波形 放电电压：3 k v ，频率：4 5 k h z ， 气体流速：( a ) 4 m s ，( b ) 1 0 m s ，( c ) 1 8 m s 图4 1 8 电流幅值随气体流速的变化 4 9 vig-目墨vhv4一o 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 4 6 2 电压对放电电流的影响 当仅改变外加电压时，如图4 1 9 ，放电条件为：气体流速1 8 m s ，频率：4 5 k h z ，图 4 1 9 ( a ) 的电压为1 3 l ( v ，图4 1 9 ( b ) 的电压为2 3 k v ，图4 1 9 ( c ) 的电压为3 3 k v ，图 4 1 9 ( d ) 的电压为4 3 k v 。可见，电流随电压的增加而增加，并且电流峰出现的时间也 有所变化。这是因为，当电源的频率和气流都不发生改变时，带电粒子运动到介质板的 时问取决于外加电压，外加电压高时，带电粒子运动速度加快，所以积累电子的速度就 快，发生其体击穿的时间就会有所提前。电流幅值随外加电压的变化趋势见图4 2 0 。 ( a ) 5 0 一)|ipe墨“吾一o 一f目旨口多譬)|转里o 大连理工大学硕士学位论文 ( c ) ( d ) 图4 1 9 不同电压下的h e 放电电压电流波形 气体流速：1 8 m s ，频率：4 5 k h z 电压：( a ) 1 3 k v ，( b ) 2 3 k v ，( c ) 3 3 k v , ( d ) 4 3 k v 5 1 一 (|iu，【葛目 一目一芭l。，(ui)胡腰o 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 图4 2 0 电流幅值随外加电压的变化 4 6 3 电极对放电电流的影响 改变外电极的尺寸，对电流有很明显的影响，外电极缠绕的线圈( 外电极面积大) 多时，d b d 区域的面积就大，提供的种子粒子就多，如图4 2 1 ，就是不同外电极尺寸时 的电流电压波形，气体流速：1 8 m s ，频率：4 5 k h z ，电压：2 3 k v 。图4 2 1 ( a ) 所用的 外电极线圈面积较小，图4 2 l ( b ) 所用的外电极线圈面积是前者的二倍。显然，相 同放电条件下，外电极面积大时，产生的电流就大。 ( a ) 一5 2 大连理工大学硕士学位论文 ( b ) 图4 2 1 外电极面积不同时的电流电压波形 频率：4 5 k h z ，电压：2 3 k v ，气体流速：1 8 m s 外电极线圈数：( a ) 7 匝，( b ) 1 4 匝 5 3 喜f8_墨z菖； 一种新型的d b d 大气压低温等离子体射流 结论 本文介绍一种设计简单，起辉容易，运行稳定，易于维持，适于集成的新型毫米量 级大气压冷等离子体射流发生技术。这种射流可以在大气压条件下，使用多种工作气体 ( 如a r ，h e ，n 。) ，通过毛细管介质阻挡放电( d b d ) 的方式实现。 使用的电源是频率为3 0 5 0 k h z ，峰值电压为1 2 k v 的可调交流电源，放电管是长度 为1 0 0 一1 5 0 r a m ，外径通常是7 册，内径是4 n a n 的石英毛细管。利用a r ，h e ，n 。等多种工作 气体，在毛细管出口处形成了稳定的冷等离子体射流。从放电区域的光辐射强度空间分 布中研究放电模式的变化和放电形态的空间分布。明确观察到了在d b d 区间的流动气体 放电和在毛细管出口处形成的等离子体射流。在d b d 区域，气体静止时发生的是丝状放 电，随气流速度的增加逐步转为类辉光放电。在毛细管出口处的等离子体射流区，等离 子体的发光强度随气体种类和流速的不同而明显改变。利用p i t o t 型焓探针测量流速， 得到了在不同气体中形成等离子体射流的临界流速是3 - 8 m s 。射流的射程随气体流速 增加而增加，不同气体产生的射流射程差别很大。当h e 流速为2 0 m s 时，其射流最长 达到4 4 m m 左右。但当h e 流速超过2 0 m s 时，射流变得不稳定，出现涡流，射程变短。 等离子体射流的温度利用发射光谱分析方法得到。一种方法是测量等离子体中的原 子光谱，计算射流的激发温度；另一种是测量射流中的分子发射光谱，从转动分辨光谱 中得到分子的转动温度，即射流的动力学温度。对于氦气为工作气体的冷等离子体射 流，根据h e 原子的可见波段的发射光谱，使用b o l t a m a n 图解法计算了激发温度，该温 度在2 0 0 0 k 一3 0 0 0 k 之间，远低于大气压电弧射流的激发温度；由于射流是在大气环境下 工作的，虽然工作气体为氦气，但是仍然由足够量的氮分子渗入射流区，因此在发射光 谱中测得了很清晰的氮第一负带发射光谱。根据氮第一负带光谱，使用光谱模拟的方法 计算了氮离子的转动温度，在所研究的实验参数范围内，该温度在2 9 0 k - 3 8 0 k 之间，即 2 0 一l l o 。c 。激发温度和转动温度的分析显示，这是一种冷等离子体射流。激发温度和 转动温度的变化趋势具有较高的相关陛，说明在大气压条件下，电子和离子对于气体分 子的加热作用是存在的。为了验证其低温特征，曾使用普通纸条作为测试样品，探入等 离子体射流中持续数分钟，纸条无任何碳化的痕迹。 尝试了氦气射流等离子体的放电电学特性的测量，得到了放电电压和电流的波形曲 线，由于是恒压源，所以从放电的电压波形上看不到放电击穿发生时电压下降的位置， 但从电流上观测到了典型的大气压辉光电流波形，并观察了改变一些放电条件( 如放电 电压，气体流速，接地线全面级) 对放电电流的影响，说明在适当的放电条件下，该装 置能够形成较为稳定的大气压类辉光放电。 5 4 奎堡翌三奎堂堡主堂堡堡塞 参考文献 【l 】1 t k i k u c h i ，yh a s e g a w a , h s h i r a i r _ f m i c r o p l a s m a j e t a ta t m o s p h c r i c d r c s s u r c ： c h a r a c t e r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n t ot h i nf i l m p r o c e s s j n g j o u r n a lo f p h y s i c s d ：a p p l i e dp h y s i c s , 2 0 0 4 ，( 1 1 ) ：1 5 3 7 1 5 4 3 【2 】徐学基等编著，气体放电物理，复旦大学出版社，1 9 9 5 。 【3 】ti t o ，ti z a k i ，kt e r a s h e m a a p p l i c a t i o no f m i c r o s c a l e p l a s m a t om a t e r i a lp r o c e s s 地眦 s o l i d f i l m ，2 0 0 1 ，3 8 6 ( 2 ) ：3 0 0 3 0 4 【4 imk o g o m a , s o k a z a k l r a i s i n go f o z o n ef o r m a t i o ne f f i c i e n c yi na h o m o g c i l e o u sg l o w d i s c h a r g ep l a s m a a ta t m o s p h e r i c p r e s s u r e j o u r n a lo f p h y s i c sd ：a p p l i e dp h y s i c s ，1 9 9 4 。2 7 ( 9 ) ：1 9 8 5 1 9 8 7 i s lml a r o u s s i ，gss a y l e r ，bbg l a s c o c ke ta 1 i m a g e s o f b i o l o g i c a ls a m p l e s u n d e r g o i n g s t e r i l i z a t i o nb ya g l o w d i s c h a r g e a ta t m o s p h e r i c p r e s s u r e i e e et r a n s a c t i o n so np l a s m as c i e n c e 1 9 9 9 ，2 7 ( 1 ) ：3 4 3 5 【6 】y o s h i k ih ，0 1 da ，o g a w ahe ta 1 i n n e rw a l lm o d i f i c a t i o no f a p e t c a p i l l a r yb y r f m i c r o p l a s m a t h i ns o l i df i l m ，2 0 0 2 ，4 0 7 ( 1 - 2 ) ：1 5 6 1 6 2 7 1 s a n k a r a n