引用本文
王志斌, 陈国旭, 王哲, 葛楠, 李和平, 包成玉. 三电极非热电弧发生器放电模式的实验研究. 清华大学学报: 自然科学版, 2014, 54(1): 73-77[Zhibin WANG, Guoxu CHEN, Zhe WANG, et al. Experimental investigation of the discharge modes of a non-thermal arc plasma generator with three-electrode configuration[J]. 2014, 54(1): 73-77]  
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三电极非热电弧发生器放电模式的实验研究
王志斌1, 陈国旭1,2, 王哲1, 葛楠1, 李和平1, 包成玉1
1. 清华大学 工程物理系, 北京 100084
2. 兰州交通大学 热能工程系, 兰州 730070
李和平, 副研究员, E-mail:liheping@tsinghua.edu.cn

作者简介: 王志斌(1985—), 男(汉), 河北, 博士研究生。

基金:国家自然科学基金资助项目(11035005);
摘要

该文提出了一种三电极非热电弧等离子体发生器结构设计,通过引入浮动电极,降低了非热电弧放电的点火电压,获得了稳态的非热电弧放电等离子体。实验结果表明:采用该三电极结构的等离子体发生器所产生的等离子体气体温度在2.0×103~3.0×103 K之间; 在其他参数保持不变的情况下,随着等离子体工作气体流量的增加,存在非热电弧放电、非热电弧-介质阻挡混合放电和表面介质阻挡放电3种不同的放电模式; 在等离子体工作气体流量不变的情况下,增加电源的输入功率将有利于使放电保持在非热电弧放电模式下。三电极结构的非热电弧发生器有助于实际应用中在较低的外加电压下产生非热电弧等离子体,并在较大的气体流量下维持非热电弧等离子体的工作状态。

关键词: 等离子体; 非热电弧; 放电模式
中图分类号:TK124 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)01-0073-05
Experimental investigation of the discharge modes of a non-thermal arc plasma generator with three-electrode configuration
Zhibin WANG1, Guoxu CHEN1,2, Zhe WANG1, Nan GE1, Heping LI1, Chengyu BAO1
1.Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Department ofThermal Energy and Power Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
Fund:
Abstract

A non-thermal arc plasma generator was developed with three-electrode configuration. With the help of the surface dielectric barrier discharge (DBD) produced between the main electrode and floating electrode, the ignition voltage of the non-thermal arc discharge was reduced, and a steady state non-thermal arc plasma was obtained. Experiments show that the temperature of the non-thermal arc generated using this three-electrode plasma generator is 2.0×103-3.0×103K and that there exist three different operating modes, i.e., the non-thermal arc mode, the non-thermal arc-DBD hybrid mode, and the surface DBD mode, with the increase of the plasma working gas flow rate while keeping other parameters unchanged. The results also show that increasing the power input at a constant gas flow rate benefits maintaining a non-thermal arc discharge mode. The developed non-thermal arc plasma generator is useful for producing non-thermal arc plasmas at low applied voltages, and for maintaining non-thermal arc discharges at high gas flow rates.

Keyword: plasma; non-thermal arc; discharge mode

由于气体放电等离子体中含有大量的化学活性粒子(如电子、离子、处于激发态的原子、分子以及自由基等), 其在等离子体材料表面改性、微纳米材料制备、气体净化、废弃物处理等领域有着广阔的应用前景。在各种等离子体源中,有关大气压条件下产生的非平衡气体放电等离子体源(其中的电子温度不等于重粒子温度,且明显高于重粒子温度)的研究受到了国内外研究者的广泛关注。一方面,由于大气压气体放电不需要真空腔,降低了设备的建造和维护成本、解决了实际应用过程中受真空腔体积限制的问题,同时使得整个等离子体材料加工过程操作更加灵活方便。此外,在一些特殊情况下(如等离子体战地生化清洗等)只能采用大气压气体放电技术[1]。另一方面,在不同的应用领域,对于等离子体的放电功率、热力学非平衡程度以及化学反应的选择性要求也不尽相同。与气体温度为104 K左右的电弧放电热等离子体和气体温度接近室温的辉光放电冷等离子体相比,大气压非热电弧放电具有高电压-低电流的特点,所产生的非热电弧等离子体具有适中的气体温度(约为2.0×103~4.0×103 K[2])和活性粒子浓度水平,且包含有不同种类的化学活性基团,许多化学性质稳定的物质都可以在这种等离子体条件下进行较完全的化学反应。因此,非热电弧等离子体将在合成气制备,甲烷及液态烃的蒸气重整反应,脱硫/脱硝,挥发性有机物、多环芳烃、二噁英、呋喃等的分解反应等方面具有良好的应用前景[3,4,5,6]。

目前文献中报道的大气压非热电弧放电等离子体通常采用滑动电弧(气流驱动、磁驱动)放电、高压直流放电、高压交流放电等方式产生[2,4,7,8]。由于大气压条件下空气的临界击穿场强较高(32 kV/cm)[9], 从而使得等离子体发生器放电区两电极间距离通常较小以降低气体的击穿电压。而另一方面,在实际应用中需要气体放电所形成的非热电弧等离子体具有较大的体积。因此,在滑动电弧放电中,通常采用两个非平行的金属电极,气体在两电极间距离最小处击穿产生放电后,在气流或磁场的驱动下向下游运动从而获得较大体积的等离子体。由于气流的作用,滑动电弧放电通常处于非稳态放电模式下,且在较大的等离子体工作气体流量下容易产生灭弧。在文[8]中则采用了同轴型的等离子体发生器结构,气体在内外电极间放电后在发生器环形喷嘴的下游形成具有一定体积的非热电弧等离子体。采用这种放电结构产生的放电虽然相对比较稳定,但随着电极间距离的增大,气体的击穿电压会显著升高。

本文提出了一种三电极非热电弧等离子体发生器结构设计,通过引入浮动电极,降低了非热电弧的点火电压,测量了不同工作参数(如弧电流、工作气体流量等)下气体放电的伏-安特性和放电模式以及等离子体区域的气体温度。实验研究表明,采用本文提出的三电极结构的等离子体发生器,基于表面介质阻挡放电的辅助,可以在较低的点火电压下产生稳定的非热电弧放电等离子体; 所产生的等离子体气体温度在2.0×103~3.0×103 K之间; 在不同的弧电流、不同的等离子体工作气体流量下,存在非热电弧放电、表面介质阻挡放电、非热电弧-表面介质阻挡混合放电等不同的放电模式。

1 实验装置

本文研究所采用的等离子体实验平台(如图1所示)包括大气压三电极非热电弧放电等离子体发生系统、电特性测量系统和发射光谱测量系统3大部分。其中等离子体发生系统包括配气系统、高压交流电源和三电极非热电弧等离子体发生器; 电特性测量系统包括示波器(Tektronix DPO4034)及与之配套使用的电压探头(Tektronix P6015A)和电流探头(Tektronix TCP202); 发射光谱测量系统主要包括光纤(直径0.6 mm,数值孔径0.22,波长范围200~1 100 nm)、光纤光谱仪(Avantes AvaSpec-3648)、二维平移台及用于信号采集的计算机。

图1 非热电弧放电等离子体实验平台示意图

本文采用的三电极非热电弧等离子体发生器整体结构如图2a所示,图2b和2c分别从两个不同方向给出了发生器各部件间的组合关系,其中两个主电极为水冷铜电极,主电极与浮动电极间采用厚度为0.5 mm的聚四氟乙烯板进行绝缘。工作气体(空气)通过发生器的进气孔进入发生器腔体内,并通过多孔绝缘筛板进入两水冷主电极之间的放电区; 在主电极与浮动电极之间以及两主电极间的交流电场作用下电离形成等离子体。

图2 三电极非热电弧等离子体发生器结构示意图

在本文实验研究中,高压交流电源与三电极非热电弧等离子体发生器的一个主电极连接,另一个主电极与高压交流电源共地。利用配气系统调节等离子体工作气体的流量。高压探头的两个接触端分别与高压电极和地线连接以测量放电电压。电流探头套在地线上,利用电磁感应原理测量放电电流。高压探头和电流探头的测量信号用数字示波器显示并记录。在垂直于工作气体流动的方向上,用数码相机拍摄气体放电时的照片,曝光时间根据具体情况进行调节。将光纤头对准等离子体放电区域,通过调节二维平移台获得不同放电区域的等离子体发射光谱信号,采用光纤光谱仪进行信号采集,并将数据传输至计算机。将采集到的等离子体发射光谱数据采用SPECAIR(http://www.specair-radiation.net/)软件进行处理,得到放电区不同位置处等离子体的气体温度。

2 实验结果及讨论
2.1 发生器放电特性

图3给出了等离子体工作气体流量 QAir=0 L·min-1(标准升每分钟)、主电极间距 Ld=10.0 mm时三电极非热电弧等离子体发生器放电的伏安( V-I)特性曲线(ME表示主电极)。可以看到,等离子体工作气体(空气)在B点发生击穿产生介质阻挡放电等离子体,对应的介质阻挡放电的击穿电压( VDBD)为3.5 kV; 随着放电电压(电源输入功率)的增加,介质阻挡放电的强度逐渐增加,在C点产生非热电弧放电,对应的非热电弧等离子体点火电压( Varc)为8.2 kV; 此后,等离子体放电电压急剧降低,放电维持稳定的非热电弧放电状态,放电强度随着电源输入功率的增加而增强; 在E点处达到最大电源输入功率,非热电弧放电的强度亦最大; 若逐渐减小电源的输入功率,则放电强度逐渐减弱,在F点处放电强度最弱; 若继续降低电源输入功率,放电在G点处熄灭。

图3 三电极非热电弧发生器放电的伏安特性曲线

从图3可以看到,采用三电极结构的非热电弧等离子体发生器可以在较低的点火电压下产生非热电弧等离子体。本文针对3种不同的主电极间距,在其他条件不变(如主电极与浮动电极间的介质层厚度固定为0.5 mm,工作气体流量 QAir=0 L·min-1)的情况下测量了产生非热电弧放电所对应的介质阻挡放电击穿电压及非热电弧放电点火电压,并同无浮动电极情况下直接在两主电极间气体击穿产生非热电弧放电的击穿电压( Vb)进行了比较(见表1)。从表1可以看到:i) 随着主电极间距的增大,产生非热电弧放电的点火电压升高,而介质阻挡放电的击穿电压则变化很小,这是因为介质阻挡放电的击穿电压主要受介质层厚度及等离子体工作气体种类的影响,这两个条件保持不变, VDBD的变化就会很小; ii) 同没有浮动电极的放电情况相比,由于在有浮动电极条件下表面介质阻挡放电的辅助,使得非热电弧放电的点火电压较没有介质阻挡放电辅助情况下的直接气体击穿电压要低得多( Varc相比 Vb大约降低了20%~25%)。

表1 采用不同结构等离子体发生器时的气体放电电压比较

本文实验研究表明,在一定的电源输入功率下,等离子体工作气体的流量会对放电模式产生显著的影响。随着等离子体工作气体流量的增加,若采用无浮动电极的非热电弧等离子体发生器产生气体放电,则等离子体通常处于两种放电模式下,即较小气流量下的非热电弧放电模式和较大气流量下的熄灭模式; 而采用三电极结构的非热电弧等离子体发生器,则等离子体有3种不同的放电模式,即小气流量下的非热电弧放电模式、大气流量下的表面介质阻挡放电模式以及介于两者之间的表面介质阻挡放电与非热电弧放电交替出现的混合放电模式。

图4给出了混和放电模式下的电压-时间( V-t)曲线。图中区域I为处于表面介质阻挡放电模式时的电压-时间曲线,区域II为处于非热电弧放电模式时的电压-时间曲线。从图4可以看到,在混合模式放电下,表面介质阻挡放电模式和非热电弧放电模式交替出现。随着等离子体工作气体流量的增大,由于放电区域中强烈的气流-等离子体相互作用,使得非热电弧放电的稳定性变得越来越差,且放电电压越来越高; 当气流量超过一定数值时,非热电弧放电会熄灭,这时如果没有浮动电极存在,则放电转变为熄灭模式。然而对于三电极结构的等离子体发生器,由于浮动电极的存在,虽然非热电弧放电熄灭了,但此时会在主电极和浮动电极之间的介质层表面随即产生介质阻挡放电,即放电转变为表面介质阻挡放电模式。在这种情况下,若等离子体工作气体流量不是非常大,则表面介质阻挡放电所提供的大量自由电子会使得非热电弧放电重新产生,放电处于一种不稳定的非热电弧放电-表面介质阻挡放电交替出现的混合放电模式。

图4 混合放电模式的V-t曲线图(Q<sub>Air</sub>=27.0 L·min<sup>-1</sup>)

进一步的实验研究表明,在等离子体工作气体流量不变的情况下,增加电源的输入功率有利于使放电保持在非热电弧放电模式下。也就是说,当气体放电处于混合放电模式时,若保持等离子体工作气体流量不变而增加电源的输入功率,则随着电源输入功率的增加,混合放电模式中电弧放电模式所占比例逐渐增加,而表面介质阻挡放电模式所占比例则逐渐降低; 直到当电源输入功率增大到一定值后,等离子体由混合放电模式转变为完全的非热电弧放电模式,形成持续的非热电弧放电等离子体。

2.2 非热电弧气体温度测量

本文实验研究采用发射光谱法测量了非热电弧等离子体的发射光谱强度,并利用SPECAIR(http://www.specair-radiation.net/)软件得到了非热电弧等离子体的气体温度。对于在大气压条件下的非热电弧等离子体,由于其转动弛豫时间非常短,因此转动温度( Trot)接近于气体温度( Ttrans)[10]。对于温度较低的空气等离子体( Trot <4 000 K)可以采用300 nm左右(例如307 nm附近)的OH A-X跃迁产生的发射光谱( I307nm)测量等离子体的转动温度[10]。本文通过比较实验得到的光谱强度分布与SPECAIR软件拟合得到的光谱强度分布,得到了非热电弧等离子体的转动温度[11,12]。由于非热电弧等离子体温度场和流场分布呈现出明显的三维特性,而通过实验测量重构其三维空间温度分布是非常困难的; 因此,实验得到的等离子体气体温度仅代表了沿光线路径积分的“平均”温度,该温度可以用来初步衡量非热电弧等离子体放电区气体的温度水平。本文实验得到的非热电弧等离子体气体温度( Ttrans≈ Trot)在2.0×103~3.0×103 K范围内,与文[2]中给出的非热电弧等离子体的温度水平一致。

图5给出了特定工况下( QAir=1.7 L·min-1, Id=70.0 mA)使用SPECAIR软件得到的非热电弧等离子体温度沿两主电极中间对称平面的变化规律。从图5可以看到,等离子体在电流通道附近的温度最高; 由于电弧与气流的相互作用,使得非热电弧等离子体在迎向气流一侧的温度梯度较大,而在另一侧的温度梯度则相对较小。

图5 非热电弧等离子体气体温度沿两主电极中间对称平面的分布

3 结 论

本文对三电极结构的非热电弧等离子体发生器的放电特性及等离子体气体温度进行了实验研究,得到的主要结论是:i) 采用本文提出的三电极结构的非热电弧等离子体发生器产生气体放电,由于在主电极与浮动电极间所产生的表面介质阻挡放电等离子体所提供的大量自由电子,使得产生非热电弧放电的点火电压较无浮动电极条件下的直接气体击穿电压显著降低; ii) 采用本文实验装置所产生的等离子体气体温度在2.0×103~3.0×103 K范围内; iii) 采用三电极结构的等离子体发生器产生的气体放电,当等离子体工作气体流量大于一定数值时,存在一种表面介质阻挡放电和非热电弧放电交替出现的混合放电模式; iv)电源输入功率的增加有利于使放电保持在非热电弧放电模式下。

The authors have declared that no competing interests exist.

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