大气压放电氦气等离子体射流特性_侯世英

第40卷第4期：1207-1213

2014年4月30日

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.04.037高电压技术 High Voltage Engineering Vol.40, No.4: 1207-1213 April 30, 2014

大气压放电氦气等离子体射流特性

1213侯世英，罗书豪，孙韬，曾鹏

（1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400030；

2.国网四川省电力公司检修公司，成都610000；3.国网四川省电力公司成都供电公司，成都610000）

摘要：为研究大气压下不同氦气等离子体射流结构的电特性及其射流影响因素，对外表面双电极、针?环电极、单电极结构下的大气压放电氦气等离子体射流特性进行了实验分析。分别观测、对比了不同实验条件，如电极位置、电极尺寸、外加电压和气体体积流量等，对等离子体射流的影响。结果表明：外表面双电极和针?环电极结构均可实现稳定的多脉冲放电；处于层流状态时，3种结构下等离子体射流长度均随着电压的升高而变长；当针?环电极结构的接地电极远离喷口，或是单电极结构的高压电极远离喷口时，射流长度均会缩短；外表面双电极和单电极结构中，高压电极宽度的增大会使射流长度变长，但针?环结构中电极宽度增大反而会导致射流长度缩短；针?环电极结构的伏安曲线、功率特性曲线均比外表面双电极结构的对应曲线“陡”，且针?环电极结构的放电功率相对较高。

关键词：大气压等离子体；射流；电极参数；射流长度；多脉冲；介质阻挡放电

Characteristics of Atmospheric Pressure Helium Plasma Jets

HOU Shiying, LUO Shuhao, SUN Tao, ZENG Peng

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2.Maintenance Company, State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610000, China;

3.Chengdu Power Supply Company, State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610000, China) 1213

In order to investigate the electric characteristics and influencing factors of atmospheric pressure helium plasma Abstract：

jets (APHPJs) with different electrode configurations, we analyzed the APHPJs in three kinds of electrode configurations, namely, double-wrapped electrode, needle-ring electrode, and single electrode through experiments, in which we observed and compared the changing in APHPJs under different experiment conditions, such as electrode position, geometric di-mensioning of electrode, applied voltage, and gas volume flow etc. The results show that, the multiple-pulse can be obtained both in double-wrapped electrode and needle-ring electrode. For all the three electrode configurations, length of APHPJ in laminar flow mode increases with applied voltage. When nozzle gets away from the grounding electrode of needle-ring electrode configuration or from the high voltage electrode of single electrode configuration, the jet length gets shorter. For both double-wrapped and single electrode configurations, increasing the width of high voltage electrode leads to growth of jet length, which is opposite to the result in needle-ring electrode configurations. Moreover, compared with double-wrapped electrode configuration, needle-ring electrode configuration has steeper characteristic curves of volt-ampere and power, as well as higher discharge power.

Key words：atmospheric pressure plasma; jet; electrode configuration; jet length; multiple-pulse; dielectric barrier discharge

0 引言

近年来，大气压等离子体射流(atmospheric

pressure plasma jet, APPJ)技术在国际上引起了重大

关注，被广泛用于材料表面改性、等离子体刻蚀、

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基金资助项目：输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研

究项目(2007DA10512711204)；国家“111”计划(B08036)。

Project supported by Independent Research Project of State Key Laboratory

of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology

(2007DA10512711204), The 111 Program (B08036). 环境工程及物品表面灭菌等方面[1-4]。而对于传统意义上的使用介质阻挡放电(dielectric barrier dis-charge, DBD)来产生低温等离子体的技术，由于其放电间隙在数mm至几cm范围内，并需要较高的气体击穿电压，且无法用来处理体积稍大的物品，因此无法广泛用于实际工程中。此外，活性粒子获取能量需要一定的空间和时间，狭小的空间易导致活性粒子能量较低，继而大大影响放电等离子体的[5]

1208 40(4) 高电压技术 2014,

APPJ不仅具有低温等离子体的温度实际应用效果。

低、高活性、绿色化等特点，还能直接通过强气流将等离子体“吹出”放电腔，使得等离子体与高压电极分离，极大提高了系统的操作安全性。此外，APPJ未使用昂贵的气压设备，电能几乎都用来激发等离子体中粒子的活性，且在大气环境下具有一定的长度和功率，因此更具有良好的应用前景。目前国内外已有许多有关APPJ的研究成果，如等离子体刷、超长等离子体柱、大面积阵列式APPJ、等离子体针等。

有关APPJ的影响因素也有许多报道。德国的Teschke M等认为，外表面双电极结构APPJ的射流长度在很大程度上取决于气体浓度；此外，利用处于层流状态的APPJ能够更好地将活性物质的能量传递给处理对象

[10][9]

[6]

[7]

[8]

图1 实验系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

DSC-W390拍摄，曝光时间为0.1 s。

放电选用了3种不同结构的APPJ，该结构与文献[13, 16]中采用的电极配置相似。针-环结构的高压针电极采用不锈钢材料，其余电极均采用铜皮材料。在实际操作中，主要利用喷口以外的等离子体来对物体进行表面处理。为此，从喷口处开始测量等离子体射流长度。图2为3种结构的APPJ示意图及其形成的射流效果照片，其中Di (i=1,2,3)为电极离喷口的距离，Wi (i=1,2,3)为电极宽度。实验中，通过改变电极位置和宽度来对射流特性进行对比分析。由于单电极APPJ没有固定的放电回路，因此电特性的测试实验只采用外表面双电极与针?环电极结构

[13]

。康以蒲等借助于电子倍增电荷

耦合器件(electron-multiplying charge coupled device, EMCCD)，讨论了喷口外部气体环境对APPJ长度的影响

[11]

。张冠军等通过实验与仿真相结合的方

[12-13]

法，探讨了气流对APPJ长度的影响电流的影响，并开展了灭菌实验研究APPJ电参数及形貌

[15]

。刘文正

等分别探讨了电压、频率、气体流速对APPJ放电

[14]

。邵涛等通

过改变外施电压及气体流量来观测单针式电极

。然而，这些实验与仿真大

多是针对某种结构的APPJ特性的研究，且电极参数为固定值，但对于不同结构的APPJ及电极参数对其特性影响的对比研究则较少涉及，而比较不同结构APPJ的电特性对于APPJ的参数优化及其应用具有重要意义。本文针对外表面双电极、针-环电极和单电极结构，采用10 kHz正弦交流电压源激励来产生射流等离子，并对不同结构APPJ的电特性进行了比较分析。

。

2 实验结果与分析

有关APPJ的特性测试实验，如放电特性实验、射流长度实验等，已有许多研究成果

[13, 17-18]

。然而，

对于实验过程中观察到的APPJ的“多脉冲”放电现象鲜见报道。当改变电极位置、电极尺寸时，射流长度也会发生相应变化。下文将对此进行详细阐述。 2.1 电气特性

在氦气体积流量为60 L/h、电源频率为10 kHz条件下，捕获到的APPJ多脉冲放电波形如图3所示。外表面双电极APPJ所采用的石英管的内外径分别为3、5 mm，针?环电极APPJ的内外径分别为5.39、8 mm。图3(a)为外表面双电极的较为稳定的3脉冲放电波形，此时的外施电压为13 kV。图3(b)为针?环电极正向两脉冲、负向单脉冲放电波形，此时的外施电压为7.4 kV。由图3可知，虽然2者均为不对称放电结构，但外表面双电极的正负脉冲

1 实验装置

本文所采用的实验装置示意图如图1所示(以外表面双电极结构实验系统为例)，射流的驱动电源采用南京苏曼电子有限公司的CTP-2000K低温等离子体电源，其输出电压有效值的范围为0~30 kV，输出频率调节范围为5~20 kHz，电源中心频率10 kHz。采用上海济阳科技有限公司生产的氦气作为放电气体，其纯度为99.999%。采用RIGOL DS1104B数字示波器记录放电时的电压电流波形图。图1中，无感电阻Rm=50 ?，电容Cm=0.47 μF，用于测量放电电流和放电电荷。放电照片由

SONY

侯世英，罗书豪，孙韬，等：大气压放电氦气等离子体射流特性 1209

图3 APPJ多脉冲放电波形

Fig.3 Multiple-pulse discharge waveforms of APPJ

2.2 射流长度

图4为电压与射流长度关系图，qV为气体体积

图2 3种结构的APPJ示意图及射流照片

Fig.2 Schematic diagrams of APPJ of three electrode con-figurations and their jet pictures

流量。由图4可知，对于不同结构的射流装置，在同一电压下，气体体积流量越大，对应的射流长度越长。此外，随着外加电压的升高，射流长度在最初阶段呈上升趋势，并达到最大值。当外加电压继续升高时，射流长度开始下降并逐步趋于稳定，放电区域的发光变得更为强烈，且射流体的尖端开始在径向上出现摆动。这主要是因为射流长度在很大程度上取决于亚稳态粒子和载能电子的有效飞行距离

[22]

个数相等，而针?环电极的脉冲个数却不相等。这主要是因为前者的电极上覆有介质，可以在各电极处的内表面形成对等的累积电荷；此外，由于电场在管内各处的分布并不均匀放电可在瞬间得到增强