李 雪，林靖松，郭伊彤，霍伟刚，王玉新，夏 洋

辽宁师范大学物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029

引 言

大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)不需要在真空条件下运行，设备成本及运行成本较低，在生物医学、纺织品改性、纳米粉末制备等多个领域有着广泛的应用[1-3]。在实际应用中，放电均匀性是重要的影响因素，与放电模式密切相关。近年来，国内外学者对放电模式进行了大量的研究[4-8]。Dong等[4]观察到各种放电斑图。Bruggeman等[5]等研究了丝状放电模式。Kogelschatz[6]讨论了丝状放电产生机制。Trunec等[7]和Brandenburg等[8]研究了气体种类、电源频率等对模式转化的影响。已报道的放电模式研究所用介质主要是石英玻璃、陶瓷、聚四氟等，而聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene teraphtalate，PET)对DBD模式影响的研究相对较少。

发射光谱(optical emission spectroscopy，OES)法是等离子体的重要诊断技术，具有非探入、设备简单等优点[9-10]，常用于大气压DBD特性的研究。Bruggeman等[11]利用OES确定等离子体气体温度。Zhang等[12]发现脉冲DBD的氮气分子转动温度随峰值电压增加而升高。Laux等[13]利用OES研究了光谱谱线的斯塔克展宽，得到等离子体的电子密度。Nie等[14]报道了峰值电压、脉冲频率对脉冲线板DBD的OH发射光谱的影响。Kanazawa等[15]利用OES确定了活性物种的种类。但目前OES很少用于PET DBD特性的研究。

本文在PET介质间隙产生了大气压氦氩混合气体放电等离子体。利用电学诊断和OES技术研究了氩气含量对PET DBD模式、氩原子谱线强度和电子激发温度的影响，并给出相应的物理解释。

1 实验部分

大气压DBD实验装置如图1所示。放电发生在两个圆形紫铜平板电极(直径：40 mm)之间，每个电极都覆盖一个圆形PET介质(直径：50 mm，厚度：0.35 mm，相对介电常数：3.2)。上电极与高压(0～40 kV)交流(10～40 kHz)电源输出端相连，下电极接地。放电电极密封在有机玻璃箱(400 mm×300 mm×200 mm)中。在有机玻璃箱的一个侧壁安装气体混合器，高纯氩气和氦气分别经气体减压阀，质量流量控制器进入气体混合器混合后通入有机玻璃箱中。有机玻璃箱的另一侧壁安装了出气口。利用电压探头(Tektronix P6015A，1∶1 000)和电流探头(Pearson5101，0.5 Volts/Amp)测量峰值电压(定义为Vp)和放电电流(定义为Idis)，电压、电流信号用数字示波器(Tektronix DPO4054B，带宽：500 MHz)记录。光学信号由凸透镜聚焦经光纤被光谱仪(Avaspec-ULS2048，光栅刻划线：1 200 lines·mm-1，200～1 070 nm)测量，光谱数据由计算机记录和处理。利用数码相机(Nikon D90)拍摄PET DBD放电图像。在下面的实验中，电源频率、介质间隙、光谱仪积分时间和相机曝光时间分别固定为18.84 kHz，1.5 mm，30 ms和10 ms。

图1 实验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 PET阻挡氩气/氦气放电电学特性和发光特性

图2给出了当峰值电压为1.75 kV时，不同氩气含量下Vp和Idis及对应的放电图像。从图2可以看出：在不同氩气含量下，每半个电压周期仅出现一个或多个电流脉冲；随着氩气含量的增加，电流脉冲幅值和脉冲个数减少。证实了PET阻挡放电是辉光放电[16]。从对应图像也可看出：在氩气含量较低时，DBD均匀地分布在整个电极间隙，呈现明显的辉光放电特性[16]。随着氩气含量增加，DBD由均匀放电逐渐过渡到孤立斑图放电[17]，即PET DBD经历了均匀放电到孤立斑图放电的转换过程。

图2 不同氩气含量下Vp，Idis波形和放电图像

2.2 氩气含量对氩原子谱线强度的影响

选用具有相同下能级的五条氩原子谱线(696.54, 763.13, 772.09, 811.17和911.81 nm)分析。五条氩原子谱线强度随氩气含量的变化关系如图3所示。从图3可以看出：(1)当Vp固定为1.75 kV时，五条氩原子谱线强度均呈现增强—减弱—增强的变化规律[见图3(a)]；(2)当Vp为3 kV时，波长为696.54, 763.13和772.09 nm的谱线强度增强, 波长为811.17和911.81 nm的谱线强度减弱[见图3(b)]。

图3 氩原子谱线强度随氩气含量变化

在大气压PET阻挡氦氩混合气体放电中，存在高能量的激发态氦原子，氦原子的第一激发和第二激发能级与基态能级差分别为19.77和20.55 eV，大于氩原子第一电离能(15.84 eV)。处于激发态的氦原子与氩原子碰撞从而使氩原子激发，即放电中除发生电子直接激发外还存在潘宁激发。另一方面，放电存在均匀放电和孤立斑图放电模式(参见图2)。这两种放电模式与Vp和氩气含量密切相关。在Vp为1.75 kV时，随氩气含量增加放电经历了均匀放电到孤立斑图放电的转变，这导致谱线强度按增强—减弱—增强规律变化；在Vp为3 kV时，放电一直运行在均匀放电模式。随着氩气含量减小(氦气含量增加)，处于激发态的氦原子密度逐渐增加，潘宁效应开始起作用。分析波长为696.54, 763.13, 772.09, 811.17和911.81 nm的光谱参数发现：波长为811.17和911.81 nm的谱线对应的上下能级差大于另外三个谱线对应的上下能级差(参见表1)，意味着811.17和911.81 nm谱线对应的激发态氩原子密度(潘宁效应起主要作用)更高；随氩气含量减少，电子-氩原子碰撞几率减小，导致696.54, 763.13和772.09 nm对应的激发态氩原子(电子-氩原子碰撞起主要作用)密度减小。

2.3 峰值电压对氩原子谱线强度的影响

由2.2节可知，氩原子谱线强度不仅受氩气含量的影响，也与峰值电压有关。这一节主要聚焦于峰值电压对氩原子谱线强度的影响。

图4是在不同氩气含量下，谱线强度随Vp变化曲线。从图4可以看出：(1)当氩气含量较低时，随着峰值电压的增加，谱线强度先几乎保持不变，再缓慢增强到稳定值[参见图4(a,b)]；在中等氩气含量下，谱线强度随Vp呈增强—减弱—增强变化，[参见图4(c—e)]；在高氩气含量下，谱线强度先几乎保持不变状态，然后快速增强最后趋于平稳[参见图4(f—h)]。在不同氩气含量下谱线强度呈现不同变化主要是PET DBD模式造成的。(2)最小维持电压随氩气含量的增加而增加。因为激发态氦原子数密度减小导致最小维持电压增加。

图4 不同氩气含量下，氩原子谱线强度随Vp的变化

2.4 电子激发温度

在原子或分子中束缚电子的激发温度通常与自由电子的动力学温度密切相关，因为控制激发态分布的激发过程主要是由自由电子引起的[18]。测量电子激发温度对理解放电起到非常重要的作用。

本文采用Boltzmann图形法计算电子电子激发温度，计算公式如式(1)[18]

(1)

式(1)中，Ijk是从j能级跃迁到k能级的原子发射强度，λ是相应跃迁的波长，Ajk为j能级跃迁到k能级跃迁几率，gj为j能级统计权重，Ej是能级差。基于上述公式得到Ijk自然对数随能级差Ej的变化曲线。电子激发温度由该曲线斜率的倒数计算。由测量的氩原子谱线强度计算电子激发温度。上述五条氩原子谱线的光谱参数取自NIST的原子数据库(参见表1)。

表1 氩原子光谱数据

图5是峰值电压分别为1.75和3 kV时电子激发温度随氩气含量的变化。从图5可以看出，峰值电压较高时的电子激发温度普遍高于峰值电压较低时的电子激发温度；在同样峰值电压下，电子激发温度随氩气含量的增加而减小。

图5 不同峰值电压下电子激发温度随氩气含量的变化

利用粘度系数公式

(2)

式(2)中，η为黏度，m为分子的质量，σ为碰撞截面，k为玻尔兹曼常数，μ是摩尔质量，NA是阿伏伽德罗常数，估算电子-氦原子碰撞截面约为电子-氩原子碰撞截面的0.32倍，而氦气扩散系数约为氩气扩散系数的8.44倍(标准状态)，意味着氩原子电离率大于氦原子电离率，而氩离子损失率小于氦离子的损失率。为了维持电离过程和离子逃逸损失的平衡, 电子激发温度随着氩气含量减小而增加。

3 结 论

采用PET介质在大气压下产生氦气/氩气混合气体放电。研究了氩气含量对PET DBD放电模式、氩原子谱线强度、电子激发温度的影响。发现随氩气含量的增加，PET DBD由均匀放电转变为孤立斑图放电。在低峰值电压下，受放电模式的影响，光谱强度呈现增强—减弱—增强的变化规律；在高峰值电压下，受不同碰撞激发机制影响，波长为811.17和911.81 nm谱线强度减弱，而696.54, 763.13和772.09 nm谱线强度增强。