基于发射光谱法的氩等离子体射流诊断研究.pdf

基于发射光谱法的氩等离子体射流诊断研究张大伟陈晓颖郝 莎(.沈阳理工大学自动化与电气工程学院 辽宁 沈阳.华东光电集成器件研究所 江苏 苏州)摘 要:利用等离子体进行材料表面处理其电子温度和电子密度会对材料表面的活性成分产生重要影响 为研究等离子体射流电子温度和电子密度采用针环电极结构搭建等离子体放电及光谱诊断试验平台在大气中实现稳定等离子体射流利用光谱仪采集氩等离子体的光谱数据分别采用玻尔兹曼曲线斜率法和斯塔克展宽法计算并对比分析等离子体射流尖端、射流尖端有无铜箔时等离子体射流的不同轴向位置、铜箔到射流喷口不同距离时射流作用在铜箔表面的电子温度和电子密度变化规律 结果表明:输入电压升高会导致电子温度升高电子密度降低等离子体电子温度随轴向距离增加而降低电子密度随轴向距离先略微升高然后降低 尖端放置铜箔会在一定范围内对电子温度电子密度数值产生影响 当铜箔到射流喷口距离增加时铜箔表面电子温度先上升后下降电子密度先下降后上升 且外施电压增加电子温度达到最大值的位置和电子密度达到最小值的位置到喷口距离越来越远关键词:氩等离子体 电子温度 电子密度 发射光谱法中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.(.):.:四 川 电 力 技 术 年 月 第 卷 第 期 引 言低温等离子体技术作为一种节能环保、高效可控的技术具备大面积处理复杂外形试样的能力已经在生物医学、环境治理、材料加工等领域广泛应用 研究认为其在气体绝缘金属封闭开关设备和气体绝缘金属封闭输电线路中当绝缘材料体积电阻率与表面电阻率呈一定关系时能有效减少表面电荷积聚改善绝缘子表面电场分布提升沿面闪络电压 文献采用介质阻挡放电的形式对环氧树脂试样进行表面等离子体氟化处理得到了等离子体表面改性的优化建议 大气压等离子体射流()尤其是以惰性气体为工作气体的 因为操作简便、激发电压低、活性粒子丰富、处理效率高的特性得到了较为深入的研究 在低温等离子体对材料表面改性处理过程中高速运动的电子可使反应的分子激发、电离或断裂成自由基碎片增加材料表面活性成分有效提升材料表面改性的效果 低温等离子体在不同的应用场合对放电状态参数如电子温度、密度以及活性粒子密度等要求不尽相同电子温度是等离子体射流中电子能量的关键参量电子密度是气体放电中最基本的参数之一它们影响着等离子体射流中其他许多参数决定了等离子体形成和演化中所涉及的解离、激发和电离等过程的强弱 文献采用针板放电装置分析讨论了等离子体放电的发展速度以及电子激发温度文献采用朗缪尔探针诊断脉冲火放电等离子体电子温度和电子密度 文献采用 设备和氩等离子体射流喷枪证实了氩等离子体射流中的成分 当前对于等离子体重要参量的测量仍是等离子体光谱诊断中的热点问题尤其是在材料处理领域高速运动的电子可以有效提升材料表面改性效果 因此研究等离子体中的电子温度和电子密度是当前研究的重点基于此下面搭建针环电极结构下的等离子体发生装置在.开放环境中产生氩等离子体射流采用发射光谱法对射流过程中的电子温度和电子密度进行计算并讨论其变化规律 氩等离子体射流实验平台建立 实验平台如图 所示可以分为三部分分别是驱动电源、针环放电电极、光谱采集诊断系统其中驱动电源由 可调直流电源、脉宽调制驱动单元、半桥电路和谐振高压变压器组成 输出频率 可调电压幅值 可调针环放电电极的高压电极是长度为 、直径为 的铜棒地电极是宽度为 的铜环高压电极距离地电极的长度为 绝缘介质是质地均匀的石英玻璃管长度为 内径为 外径为 工作气体是体积分数为.的氩气实验采集等离子体发射光谱所用的光谱仪型号为 为排除外界光源对实验结果的影响实验均在夜间关灯情况下进行图 等离子体的发生及测量装置.针环放电电极所采用的针环电极放电结构与其他介质阻挡放电电极结构相比最大区别是地电极在高压电极上方这样在针尖处放电产生的电子在气流的带动下更容易向地电极迁移从而形成等离子体射流此外针尖处电场强度比较大容易放电产生等离子体 因此该等离子体射流源能在较低电压下将气体击穿从而形成放电稳定的等离子体射流.等离子体光谱采集系统实验中先将工作气体通入放电装置接通电源调整电压值观察放电喷头是否有等离子体产生待喷头产生较为稳定的等离子体射流时进行光谱采集 将玻璃管喷口视作起始点记为 观察到实验装置在不同输入电压下产生的等离子体自然射流长度不同最大射流长度为 所以这里采用对照实验来研究氩等离子体的电子温度和电子密度变化规律 四川电力技术 第 卷第一组实验为不同电压下氩等离子体射流尖端电子温度、电子密度诊断第二组实验为氩等离子体射流不同轴向位置电子温度、电子密度诊断第三组实验为氩等离子体射流作用在铜箔表面电子温度、电子密度诊断 实验过程中始终保证光纤探头与针环放电装置的玻璃管管口在同一水平线上且光纤探头和铜箔的距离始终保持 实验至少重复做 次且每个位置在相同实验条件下都保存 组光谱数据以保证实验结果的准确性减小实验偶然因素对实验结果的影响.等离子体光谱诊断系统发射光谱是指在高能级激发态的原子或分子向低能级跃迁的过程形成的光谱 当等离子体体系受到电场等外界因素影响激发态的粒子数密度会增加 但是激发态粒子本身极不稳定寿命也很短它们会通过自发辐射和受激辐射向低能级跃迁并释放光子此过程就形成了发射光谱 不同种粒子对应发射光谱谱线的波长不同故通过发射光谱可以诊断出等离子体放电体系中的粒子种类此外通过对发射光谱分析还可以得到其他等离子体的参量这里采用发射光谱法采集等离子体射流过程中的光谱 通过 软件可以直观地观察到等离子体中各个粒子谱线的辐照度变化生成的 表格更是包含了等离子体各个粒子波长辐照度的准确值通过对辐照度的分析可以得到电子温度和电子密度等重要参量 氩等离子体射流电子温度诊断电子是气体放电体系中最活跃的组成部分它影响着等离子体的大部分物理化学过程电子温度诊断方法有很多其中多谱线斜率法是目前等离子体电子温度测量技术中采用最为广泛的方法从原子发射光谱原理知在热力学平衡状态或局部热力学平衡状态下谱线强度满足:()()式中:为原子从高能级 向低能级 跃迁时发射光谱谱线强度为谱线波长为处于第 能级上的统计权重无量纲为高能级 向低能级 自发辐射的跃迁概率为处于第 能级上激发态的能量 为玻尔兹曼常数./为等离子体电子温度 为常数以(/)为拟合纵坐标、上能级激发能为拟合横坐标画图参数、由软件 测得参数、和 取值见表 需要说明的是带入参数和 的值是高能级对应的值通过 线性拟合得出直线斜率经过计算求出电子温度表 选取谱线相关参数中心波长/低能级/高能级/统计权重跃迁概率/().实验经光谱仪采集粒子波长和辐照度数据分析得到 条氩原子谱线 结合谱线选取原则一是所选谱线信号应该远远大于实验干扰噪音信号二是所选谱线应轮廓清晰且跃迁概率必须是可以查到的准确值三是谱线尽量选取相互靠近的以减少系统测量误差四是选取的谱线上能级激发能差值尽可能大且不相同以提高测量的准确度 最终实验选取谱线波长为.、.、.、.、.来计算分析电子温度.射流尖端电子温度诊断在保证其他因素不变的情况下分别改变电压幅值为.、.、.、.、.、.、.依次采集等离子体射流尖端发射光谱辐照度 文献证实给放电体系施加不同电压时等离子体射流长度不同故所做实验采集的等离子体尖端如图 所示图 采集等离子体射流尖端 由多谱线斜率法计算不同放电电压下氩气等离子体射流电子温度变化趋势如图 所示从图 可以看出电子温度随着放电电压的升高整体呈上升趋势当电压从.增加到.时电子温度从 增加到 因此可以认为输入电压的升高会导致电子温度升高 因为电子温度只和电子动能有关当等离子体放电体系中电第 期 张大伟等:基于发射光谱法的氩等离子体射流诊断研究 图 不同电压下氩等离子体射流电子温度变化趋势压增加时电场能量增大放电区域内各个粒子的运动速度加快粒子之间碰撞会更加频繁导致电子温度升高.射流不同轴向位置电子温度诊断为探究等离子体射流不同轴向位置电子温度变化规律实验将铜箔放在 处不动使光纤探头沿着等离子体射流轴向移动距离玻璃管喷口的位置分别为 、采集等离子体光谱数据计算得到放电电压为.、.、.时电子温度变化趋势如图 所示 由于未知铜箔材料对本装置产生的射流影响有多大故采集一组射流尖端不放铜箔的数据与射流尖端放置铜箔对比图 中红色曲线是放电电压为.时 处不加铜箔的电子温度变化趋势图 不同轴向距离电子温度变化从图 可以看出电子温度随轴向距离变化趋势较为平缓在 到 的过程中整体呈现逐渐降低趋势 这是因为等离子体从产生到运动至射流尖端()的过程中各粒子数目减少粒子之间碰撞减少使得电子温度随着轴向距离的增加而呈现下降趋势 在 到 曲线会上升是因为射流尖端放置了铜箔使得尖端电子运动加快电子温度上升观察放置铜箔对等离子体电子温度产生影响:放置铜箔时电子温度在不同放电电压下轴向距离从 到 时都会增加但不加铜箔时以放电电压.实验时电子温度在轴向距离 到 时会下降 说明铜箔会对等离子体在一定范围内产生影响使电子运动加快电子温度升高根据以上分析得出:随着光纤探头到玻璃管喷口轴向距离的增加电子温度呈现逐渐降低的趋势铜箔对等离子体会产生影响一定范围内会加快电子动能使得电子温度上升.射流作用在铜箔表面电子温度诊断以铜箔到玻璃管喷口的距离为自变量考虑实验操作性选取 为间隔即铜箔和玻璃管喷口距离分别为 、采集等离子体射流作用在铜箔表面的光谱数据 计算得到等离子体放电体系输入电压为.、.、.时电子温度在不同铜箔到玻璃管喷口距离的变化趋势如图 所示图 不同电压下电子温度随铜箔到喷口距离变化从图 中可以看出:)在放电电压为.、.、.时随着铜箔到玻璃管喷口距离的增加电子温度呈现先上升后降低的变化趋势 这是由于电子温度只和电子动能有关等离子体从产生到运动至射流尖端()的过程中各粒子数目减少粒子之间碰撞减少电子温度随着轴向距离的增加呈现下降的趋势 当等离子体射流作用在铜箔上时金属铜箔会加剧电子的动能使电子碰撞更加剧烈使得电子温度会出现短暂上升 随铜箔到玻璃管喷口距离的增加等离子体射流作用到铜箔表面各粒子总数大大减少虽然铜箔仍加剧粒子碰撞但这种加剧程度远远小于等离子体粒子总数的减少所以当铜箔到玻璃管喷口距离更远时电子温 四川电力技术 第 卷度会下降)在不同放电电压下电子温度达到最大值时铜箔的位置不同经过计算分析发现随着输入电压升高电子温度达到最大值的位置到喷口距离越来越远 基于当输入电压升高时发射光谱各粒子辐照度增强的事实分析认为输入电压升高更多粒子从基态被激发至激发态放电体系中各种粒子的碰撞会更加频繁致使粒子的漂移运动速度加快距离变远从而使得电子温度达到最大值的点到喷口距离越来越远)在铜箔到玻璃管喷口距离相同时放电电压从.升高到.的过程中电子温度增加 当输入电压升高时等离子体放电体系中电压也随之增大导致放电体系中电流增大、电场能量增加放电区域内的各个粒子运动会更加频繁碰撞也更加剧烈使电子动能增加致使电子温度升高 氩等离子体射流电子密度诊断发射光谱技术诊断电子密度主要采用斯塔克展宽法 这里使用中性氩原子谱线来诊断电子密度一方面氩原子谱线不容易受到分子谱线和周围谱线的影响且容易找到辐照度很强的孤立谱线另一方面它容易在谱线很宽的范围内被激发且比较稳定 斯塔克效应引发的谱线半峰全宽和电子密度之间存在函数关系表达式为 .(./)()式中:为谱线斯塔克半峰全宽 为电子碰撞参数为电子密度 为离子碰撞参数利用斯塔克展宽法选取氩原子的.谱线因为它是氩原子谱线中强而良好的孤立谱线所以在.处 线是诊断电子密度最佳过渡线 这里利用 对光谱数据进行洛伦兹单峰拟合得到谱线的半峰全宽不同电子温度下.斯塔克加宽参数从文献 中查阅得到.射流尖端电子密度诊断采用第.节实验方法由斯塔克展宽法计算不同电压下氩等离子体射流的电子密度绘制如图 所示变化趋势图图 不同电压下氩等离子体射流电子密度变化趋势 从图 可以看出随着放电电压的增加电子密度总体呈现下降趋势 这是由于随着放电电压的升高等离子体的体积增长趋势较快而等离子体电子密度为整个体积的平均电子密度因此电子密度下降同时随着放电电压增加等离子体射流长度逐渐增加使等离子体鞘层越远离电极尖端射流尖端电场降低电子密度下降 综上得出随着放电电压的增加电子密度总体呈现下降的规律.射流不同轴向位置电子密度诊断为探究等离子体射流不同轴向位置电子密度变化规律采用第.节实验采集的离子体光谱数据计算得到如图 所示的电子密度变化趋势图 同样图 中红色曲线是 处不加铜箔在电压为.时的电子密度变化趋势图 不同轴向距离电子密度变化由图可以看出在同一电压下从 到 电子密度略微上升在 到 之间电子密度逐渐减小 分析可能是等离子体喷口处电子在气流作用下其轴向迁移速度较大因此在 之间碰撞电离反应使电子密度略微上升而在距离喷口较远处电子温度较小电子动能较小不足以支撑碰撞电离产生新的电子因此在 之间电子密度逐渐减小第 期 张大伟等:基于发射光谱法的氩等离子体射流诊断研究 观察到在放电电压为.当不加铜箔时电子密度在 处会下降而添加铜箔时电子密度在 处会增加 说明铜箔会对等离子体在一定范围内产生影响使得电子密度升高综上同一放电电压下电子密度随着轴向距离增加略微上升当距离较远时电子密度逐渐降低相同轴向距离处电子密度随着放电电压的增加而降低铜箔会对等离子体在一定范围内产生影响使得电子密度增加.射流作用在铜箔表面电子密度诊断为探究等离子体射流作用在铜箔表面电子密度的变化规律采用第.节实验方法采集铜箔表面等离子体光谱数据计算得到如图 所示的电子密度变化趋势图图 不同电压下电子密度随铜箔到喷口距离变化 从图 中可以看出:)在铜箔到玻璃管喷口距离相同时放电电压升高电子密度减小 这是由于电子密度是以整个体积计算的平均电子密度当放电电压升高时放电喷口喷出的等离子体体积增大在铜箔表面形成的等离子体体积也增大致使电子密度下降)在同一放电电压下电子密度随着铜箔到玻璃管喷口距离的增加呈现先下降后上升的变化趋势 这是由于当铜箔到玻璃管喷口距离比较近时铜箔表面等离子体体积较大所以电子密度较小随着铜箔到玻璃管喷口距离的增加虽然等离子体射流作用到铜箔表面的各粒子总数减少但在铜箔表面形成的等离子体体积减少得更快反而使电子密度会上升)在不同放电电压下电子密度达到最小值的位置不同 随着放电电压升高电子密度达到最小值的位置到喷口距离越来越远 同样基于放电电压升高时在铜箔表面形成的等离子体体积增大的事实分析认为输入电压升高更多粒子从基态被激发至激发态放电体系中各种粒子的碰撞会更加频繁致使粒子的漂移运动速度加快、距离变远从而使电子密度达到最小值的点到喷口距离越来越远 结 论上面采用针环式介质阻挡等离子体放电装置在大气压条件下产生稳定氩等离子体射流并对其光谱数据进行采集和诊断研究氩等离子体射流中的电子温度和电子密度变化规律得出结论如下:)在等离子体射流的状态下电子温度约为、电子密度数量级在 时输入电压的升高会导致电子温度升高电子密度降低)在给放电体系施加相同电压时随着光纤探头到玻璃管喷口轴向距离的增加电子温度呈现逐渐降低的趋势电子密度呈现先略微升高然后降低的变化趋势 当射流尖端放置铜箔时铜箔不会对等离子体射流电子温度和电子密度随轴向距离增加的整体变化趋势产生影响但会对等离子体在一定范围内产生影响使得电子温度、电子密度数值略有增加)当等离子体作用在铜箔上随着铜箔到玻璃管喷口距离的增加电子温度呈现先上升后降低的变化趋势电子密度呈现先下降后上升的变化趋势且随电压升高电子温度达到最大值和电子密度达到最小值的位置到喷口距离越来越远参考文献 陈传杰樊永胜方忠庆等.基于连续谱的氩气纳秒脉冲放电中电子温度的研究.光谱学与光谱分析():.闫海鸥吴星.等离子体表面氟化处理环氧树脂及其沿面闪络特性研究.绝缘材料():.():.:.(下转第 页)四川电力技术 第 卷碳排放驱动因素分解:年.中国人口资源与环境 ():.中国电力企业联合会.中国电气化年度发展报告.北京.舒印彪 谢典 赵良等.碳中和目标下我国再电气化研究.中国工程科学 ():.洪博文 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