大气压微等离子体射流电子密度研究

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1、万方数据第30卷，第7期20i0年7月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysisV01．30，No．7，ppl756—1758July，2010大气压微等离子体射流电子密度研究李雪辰，赵娜’，刘为远，刘志强河北大学物理科学与技术学院，河北保定071002摘要采用微空心阴极放电装置，利用光学方法和电学方法研究了大气压流动Ar和N2混合气体中产生的微等离子体射流特性。研究发现，随着电源输入功率增大到一定数值，微空心阴极装置中两个电极间气体发生击穿，通过击穿气隙气体的流动会沿着气流方向产生最大为4nlITl的等离子体射流。放电电流为

2、准连续的脉冲放电形式，其中放电电流脉冲宽度约为0．1弘s。分别利用爱因斯坦方程和等离子体发射光谱中谱线的Stark展宽方法计算了电子密度。结果发现，2种计算方法得出的微等离子体射流的电子密度均在1015·CITI_3的量级。研究还发现，功率对微等离子体射流电子密度影响不大。利用气体击穿理论，对以上结论进行了定性分析。关键词微等离子体射流；发射光谱；电子密度；Stark展宽中图分类号：5280P；0565文献标识码：AIX)I：i0．3964／j．issn．i000—0593{2010)07—1756—03引言大气压非平衡态等离子体易趋于不稳定性尤其是拉弧(从辉光

3、放电到弧光放电过渡)。在空间上把等离子体的直径限制在1rfllTl或更小对于大气压下辉光放电稳定性的产生和维持是一个较好的方法[1]。这种空间特征尺寸限制在亚毫米量级的等离子体称为微等离子体。微等离子体由于尺寸小，表面积与体积比大，带电粒子和激发态离子在表面区域的损耗和热能损失强，可以抑制高气压等离子体辉一弧转化的不稳定性，是产生大气压非平衡等离子体的重要手段[2’3]。目前，产生微等离子体射流的装置有：毛细管等离子体电极放电[‘]、阴极边缘层放电【5]、微空心阴极放电(micro-hollowcathodedischarge)[6’引。微空心阴极放电(MHCD

4、)是一种新颖的、非平衡、高气压放电。它有相当广泛的应用，包括废气处理、杀菌消毒、材料表面改性、薄膜沉积，以及作为光源的准分子灯和微型连续准分子激光器等。同时它还有可能产生大体积辉光放电等离子体，因此有更加宽广的应用前景。由于微空心阴极放电有这样广泛的应用前景，近年来，国内外对它及相关的微放电阵列开展了广泛的研究[8一]，但研究重点是利用各种放电结构产生微等离子体，对产生的微等离子体的参数，如电子密度研究很少。针对于此，本文利用微空心阴极放电装置，通过在微空心处通人流动心和Nz的混合气体来产生射流等离子体。利用两种方法计算微空心阴极放电射流等离子体的电子密度，同时

5、对电子密度随功率的变化也进行了研究。1实验装置实验装置如图l所示，等离子体通过微空心阴极放电产生。微空心阴极放电装置结构有三明治结构。利用金属铝片(厚度2．2mm)用作电极，两个电极中间夹一层云母介质(厚度是0．7mm)。电极和云母层都是圆盘形的(直径为15cm)。三明治结构的中心处开有一个小孔，小孔直径为0．5ITIITI，小孔一端充入工作气体Ar和Nz，Ar和Nz的流速由数字流量计(D08-1D／ZM)来控制。两个电极分别接外加电源的高压输出和地。微空心阴极装置与一个阻值为50Q的电阻串联，通过测量该电阻上的电压获得放电电流。高压电源输出频率为50kHz的正

6、弦波，峰值电压为O～lOkV可调，高压电源的输出利用高压探头(TektronixP6015A，1000X)测量并用数字示波器(TektronixDS06054B，500MHz)记录。放电的发光信号通过焦距为10LTn透镜会聚后，由光纤导入光谱仪(型号：Aar0NSP-2758，CCD：1340X400pixels)，并通过控制计算机采集并存储发射光谱。数码相机(DiMAGEZ2)用来拍摄放电的照片。收稿日期：2009-05-10。修订日期：2009-08-20基金项目：国家自然科学基金项目(10805013，10647123)，河北省自然科学基金项目(A2009

7、000149，A2007000134)，河北省教育厅项目(2006106)和河北大学博士后项目资助作者简介：李雪辰，1976年生，河北大学光学工程博士后*通讯联系人e-mail：zhaona_0626@126．toni万方数据第7期光谱学与光谱分析1757Fi晷1SchematicdiagramofexperimentalsetupandphotographofthemJcz-o-pl聊扭jet2结果与讨论随着电源输入功率增大到一定数值，两个电极间小孔气体发生击穿，圆盘小孔沿着气流方向产生等离子体射流。图l右侧图片给出了一个射流等离子体的照片。随着电源输入功率的

8、不断增加，射流的长度也随