物理基础：大气压非平衡等离子体射流

前面介绍了几种大气压空气等离子体射流，大部分空气N-APPJ装置的喷嘴在毫米或亚毫米范围内，难以用来进行大面积处理。为了满足各种不同的需求，仍迫切需要研究新型以空气作为工作气体的N-APPJ。Li等报道了一种刷状空气等离子体射流，其放电在两个针电极之间，等离子体被气流以拱形的形式从喷嘴吹出。由于该装置放电间隙较大，放电的击穿电压高达约11kV，而且峰值电流也高达280mA[124]。

滑动弧（glidingarc，GA）放电等离子体是一种被较为系统研究的空气等离子体[125～133]。图1.6.37（a）所示的传统滑动弧放电装置由两个呈发散状的刀片型电极组成，通常在靠近气体出口的位置，两个电极之间最窄间隙处开始放电。在强劲的横向气流的作用下，放电通道沿着电极向前移动，同时电弧被拉长。在此过程中，放电通道变长，放电模式由电弧放电过渡到辉光放电。放电通道的延伸过程一直持续到放电通道达到临界长度，然后等离子体熄灭，并在初始点产生新的电弧。如图1.6.37（b）所示，对于所谓的旋转滑动弧（rotatingglidingarc，RGA），等离子体在锥形阴极和套筒式阳极之间产生，并由外加磁场和涡旋气流共同驱动[134～137]。从根本上讲，它与滑动弧放电是相同的，因为GA 和RGA 所产生的等离子体主要位于两个电极之间，而不是在开放空间中，这就限制了它主要应用在等离子体化学领域。

最近，Pei等人报道了一种称为“螺旋桨弧”（propellerarc，PA）的装置[138]。该装置由一个或多个固定的阳极和电动机驱动的旋转阴极组成，如图1.6.37（c）所示。当阳极和旋转阴极之间的距离最短时开始放电，随着阴极的进一步旋转，放电通道变长，直到阴极和阳极间的距离过长而无法维持放电，此时等离子体熄灭。同样，PA 也是在电极之间而不是在开放空间中产生等离子体，所以它主要被用于等离子体化学方面的应用。

图1.6.37　GA、RGA、PA 的示意图

（a）GA；（b）RGA；（c）PA

为了采用空气作为工作气体产生大面积非平衡空气等离子体射流，下面介绍一种称为旋转电极等离子体射流（rotating electrode plasmajet，REPJ）的装置。简单地说，REPJ由绝缘方盒内的转动高压电极，以及固定在方盒侧面的接地电极组成，射流的喷嘴靠近地电极。REPJ能够在开放空间中产生大面积的低温空气等离子体射流，因此它可应用于材料表面改性、杀菌消毒及等离子体化学等领域。

图1.6.38是REPJ装置示意图[139]。高压电极为4个叶片，由不锈钢制成，并由电机带动旋转，电机转轴中心和高压电极尖端相距17mm。气流通过绝缘方盒背部的进气口注入绝缘方盒，并从尺寸为2 mm×10 mm 的喷嘴吹出。喷嘴中心距离电机转轴17.8mm。2mm 宽的不锈钢平板地电极位于喷嘴上边缘，喷嘴的其余部分均由0.5 mm 厚的陶瓷板构成，直流电源通过100kΩ 限流电阻连接到转动阳极。当阳极的一个叶片逆时针转动到阴极附近，间隙约2.5mm 时，电极之间开始放电。随着高压电极的转动，放电通道被拉长，同时由于气体的流动，放电通道呈现U 字形，从而形成等离子体射流。放电频率由阳极的转动频率控制，转动频率最高可以调整到每分钟6000转，对应于放电频率400Hz。

图1.6.38　REPJ装置示意图[139]

图1.6.39　不同空气流速下REPJ的照片[139]

（a）45L/min；（b）30L/min；（c）20L/min；（d）10L/min。阳极转动频率为每分钟6000转，电源电压为6kV

图1.6.39是不同空气流速下REPJ的等离子体照片，此时阳极转动频率为每分钟6000转（rpm），电源电压为6kV，数码相机的曝光时间为1/30s。图1.6.39及本节其他放电等离子体照片中喷嘴附近的黑色阴影均为0.5mm厚的陶瓷板造成的。图1.6.39（b）中的虚线圆圈表示初始击穿位置，能够观察到一些明亮的放电细丝。需要注意的是，如图1.6.39（a）、（b）所示，对于高空气流速，喷嘴并没有充满等离子体，但是在图1.6.39（c）、（d）中，当气体流速分别为20L/min和10L/min时，整个喷嘴充满等离子体。应该指出的是，当气体流速为10L/min，电源电压为6kV 时，从照片中可以看出此时在靠近地电极的位置有许多明亮细丝。此外，等离子体的视觉颜色也随着气体流速变化而变化，这可能是由于气体温度不同造成的。实验结果表明，气体流速越低，气体温度就越高。

图1.6.40　不同时间尺度REPJ的电压、电流波形

（a）ms（一个放电周期）；（b）μs（击穿阶段）；（c）ns（点燃阶段）[139]

图1.6.40显示了不同时间尺度下，REPJ的放电电压和电流波形。此时电源电压为6kV，阳极转动频率为每分钟6000转，空气流速为30L/min。在本节的其余部分，如果没有特别说明，所有参数均与上述相同。如图1.6.40（a）所示，间隙击穿时，Va经过很小的波动后稳定在6kV；Vdis瞬间下降到约750V，并经过几次波动后增加回6kV；Idis在击穿后先增加到约48mA，然后缓慢下降，经过几次波动后，在大约0.8ms时放电电流降为0。为了清晰地观察放电开始阶段的电特性，图1.6.40（b）给出了最初15μs的电压、电流波形。Vdis实际上在700ns内降低到大约5kV。图1.6.40（c）显示了ns时间尺度的电压、电流波形，以进一步了解放电最开始阶段电压、电流的细节。结果表明在击穿后Idis具有一个峰值达到8.5A，脉宽约9ns的脉冲，经过多次振荡后降为0。由于此峰值电流非常高，可能产生瞬时的高温，对装置不利。因此，如果能够避免这种高峰值电流，将是十分有益的，这一问题将会在本节后面讨论。

值得指出的是，电压、电流波形中均存在几次突变。例如在0.4 ms和0.64ms时，电压突然下降到一个较低的值而电流突然增加，这种突变是随机发生的，这也将在后面进行讨论。

接下来计算REPJ消耗的功率（Pdis）。放电功率随时间的变化关系如图1.6.40（a）所示，Pdis在最初的0.2ms内增加，然后在60～80 W 范围内波动，最终在约0.8ms时降为0。经过计算，REPJ的平均功率大约20 W。

此外，如果空气流速减小到20L/min，而阳极转动频率保持在每分钟6000转，则REPJ的平均功率将增加至约23.9 W。根据图1.6.39中的照片，等离子体射流区域的面积将从60mm2增加到约83mm2。如果空气流速保持在30L/min不变，但将阳极转速减小为每分钟4000转，则平均功率将减小至约18.4 W，等离子体区域的面积增加到约66mm2。

1.串联电感对放电电流的影响

如上所述，击穿后立即出现的第一个电流峰值达到8.5A，如图1.6.39（b）虚线圆圈中所示，它伴随着强烈的发光。这么高的峰值电流可能导致气体温度升高及电极腐蚀。为了避免高峰值电流，将一个100mH 的电感串联在限流电阻和转动电极之间，从图1.6.41（a）虚线圆圈可以看出，与图1.6.39（b）相比，细丝的亮度显著降低。

对比图1.6.41（b）和图1.6.40（a），毫秒级时间尺度下的电压和电流波形没有明显区别。然而，当我们将时间放大到图1.6.41（c）和（d）中的微秒和纳秒尺度，以关注放电的起始阶段，此时的峰值电流仅约310mA，比没有电感的情况要小一个数量级以上，并且经过约100ns的振荡后，电流会降低至几十毫安。在有电感的条件下，平均功率仍约为20 W。

为了进一步了解REPJ的特性，接下来计算等离子体电阻（Vdis/Idis）及平均电场强度（Vdis/d），如图1.6.42所示。没有电感的条件下，在初始击穿后的50μs内，等离子体电阻降低到约18kΩ，然后缓慢增加并伴随几次小的波动，直到等离子体熄灭。100mH电感的情况与没有电感的情况相似。两种条件下的电阻在上升过程中都会出现波动，这与由放电通道产生捷径的现象有关。

图1.6.41　不同时间尺度下REPJ的电压、电流波形

（a）等离子体射流照片；（b）毫秒尺度；（c）微秒尺度；（d）纳秒尺度[139]。限流电阻和阳极之间串联100mH电感(www.xing528.com)

平均电场强度定义为Vdis/d，其中，d为从时间分辨图像中得到的等离子体通道的总长度，因为实际的等离子体通道是三维结构而不是二维的，所以这一长度有所低估。等离子体通道长度、放电电压Vdis及平均电场强度如图1.6.42（b）和（c）所示，在没有电感的条件下，平均电场强度在放电最初的300μs内从2kV/cm降低到约1.4kV/cm，这一数值接近于大气压空气辉光放电的平均电场强度。在放电熄灭前约100μs，平均电场强度增加到超过2.4kV/cm。有串联电感的情况与没有电感情况类似。当有新的捷径产生时，等离子体通道的长度及Vdis均会降低，使得平均电场强度基本保持不变。

图1.6.42　计算等离子体电阻及平均电场强度

（a）等离子体电阻（Vdis/Idis）及平均电场强度（Vdis/d）随时间变化；（b）无电感；（c）100mH串联电感[139]

2.旋转电极大气压非平衡等离子体射流的时间分辨图像

图1.6.43给出了REPJ的时间分辨图像，该图中标记的时间对应于图1.6.40（a）中的时间。高速相机设置为每秒拍摄50000张照片。当电极间隙距离达到约2.5mm时开始放电，此时可以观察到明亮的放电细丝，在阳极的转动以及横向气流的作用下，放电通道形成U形的等离子体。有趣的是，在400μs和640μs时，这与图1.6.40（a）中阳极电压的急剧下降相对应，U形等离子体通道出现一个捷径。如420μs时的快照所示，当捷径通道形成后，等离子体沿着新形成的较短路径发展，而原始通道的头部逐渐消失。大约在0.8ms，当阳极转动到与固定阴极的距离太远时，放电熄灭。图1.6.43右下角的快照是500μs时阴极附近区域放电的放大图像。从该照片可以看出，在阴极表面明亮的区域和等离子体通道之间有一个暗区。除了在0μs开始放电外，图1.6.43中所有照片均有暗区出现，表明这是一种类似辉光的放电。图1.6.43中在明亮的负辉光区和正柱区之间的暗区为法拉第暗区，厚度约250μm，明显小于传统的低压辉光放电的暗区厚度，这一结构类似于大气压辉光放电。阿斯顿暗区、阴极辉光及阴极暗区厚度太薄而无法观察到，三个区域的总厚度仅为几十微米。该等离子体通道的最大总长度能够达到28mm，等离子体射流能够从喷嘴喷出约10mm。

图1.6.43　未使用电感时的REPJ高速照片[139]

与图1.6.40（a）中的时间同步，右下角为500μs时的局部放大图

图1.6.43中0μs时的明亮细丝可能导致很高的气体温度而造成电极腐蚀，为避免出现明亮细丝，在阳极串联了100mH电感，对应的高速照片如图1.6.44所示。此时0μs时刻的初始击穿通道并不像图1.6.43中那么明亮，这是Idis的峰值降低的结果。

已有许多研究人员报道了滑动弧放电中两段放电通道之间产生“捷径”的现象，然而，REPJ与滑动弧放电产生“捷径”的现象是不同的。对于滑动弧放电，当一个新的较短的放电通道在靠近电极底部的位置形成时，常伴随有高达几安培的电流脉冲及强烈的发光，表明它是火花放电。但是，对于图1.6.43和图1.6.44中观察到的现象，新形成的放电通道的亮度与初始的放电通道的亮度相近，放电电流虽有所增加，但是仍然保持在几十毫安，表明它是辉光放电。这可能是因为与滑动弧放电相比，REPJ的放电通道较长，前者是在金属电极之间出现捷径，而REPJ形成捷径时的部分通道为原有的等离子体通道。另外，还注意到如果空气流速减小到低于15L/min，出现捷径的现象就会消失，这被认为是由于低气体流速时等离子体通道具有高电导率，等离子体通道上的电压更小。

图1.6.44　串联100mH电感时的REPJ高速照片[139]与图1.6.41（b）中的时间同步

滑动弧放电中等离子体的推进，以及放电通道长度随时间的变化只取决于给定装置的空气流速。对于REPJ，等离子体通道长度随时间的变化同时取决于阳极转动频率和气体流速。因为阳极的转动频率以及气体流速容易调整，等离子体通道长度的瞬时行为能更好地控制，积累在放电通道中的能量也相对容易控制。

3.发射光谱和气体温度估计

发射光谱是研究等离子体产生何种活性粒子的有效方法。图1.6.45为200～800nm波长范围内等离子体射流的发射光谱。从该图可以看出，光谱主要由N2和O原子发射组成。由环境空气湿度引起的OH发射谱也能够观察到。波长在300nm以下的紫外光，主要来自NO-γ的发射。391nm处的发射不是很强，与394nm的N2（C-B）谱线重叠。

图1.6.45　REPJ发射光谱

（a）200～500nm；（b）500～800nm[139]

等离子体的转动温度可以通过比较N2C3Πu-B3Πg（Δυ=0）谱线的实验光谱和模拟光谱来获得。当模拟光谱与实验结果最符合时可以得到其转动温度，通常认为转动温度与气体温度相近。该等离子体的实验光谱和最佳拟合的模拟光谱如图1.6.46所示。根据该结果，在没有电感条件下，转动温度为3650K，而在串联100mH电感的情况则为2950K。

图1.6.46　REPJ等离子体射流的N2第二正则系实验和模拟光谱

（a）无电感的情况；（b）串联100mH电感的情况[139]

虽然基于发射光谱法的气体温度测量方法已被广泛使用，但是它是一种间接测量方法。为了解这种方法是否具有合理的精度，使用一个温度范围0℃～200℃的水银温度计测量REPJ的温度。从图1.6.47中可以看出，阴极附近的温度最高，约98℃，其他区域的温度则均低于60℃，特别是靠近喷嘴底部边缘的区域只有约37℃。由此可以看出，该温度远低于发射光谱法所得结果。从N2第二正则系和温度计得到的等离子体的气体温度完全不同，这种不一致可能是由两种方法的性质不同造成的。对于光谱法，温度测量基于光发射，等离子体通道随着气流以及阳极的转动一起移动，等离子体通道内的气体被加热，但是通道外的气体未被加热。因为光谱法的性质，当等离子体通道持续移动时，只能给出等离子体通道的温度，而等离子体通道外的气体温度很低。温度计测量的温度则基于气体和温度计之间的热交换，因为等离子体通道迅速从喷嘴流向下游，热等离子体通道与温度计只接触很短暂的时间，测量过程中的大部分时间都是未经过加热的空气与温度计接触，这就是温度计测得的温度很低的原因。

图1.6.47　温度计测量的不同位置处的等离子体气体温度[139]