阻抗匹配對大氣壓氮氣介質(zhì)阻擋放電的影響

　　在介質(zhì)阻擋放電裝置中, 使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )后, 當氣體間隙為3 mm 時(shí), 在大氣壓氮氣中獲得了均勻介質(zhì)阻擋放電等離子體, 放電模式為湯森放電。在其他放電參數不變的情況下, 放電電流和放電功率隨著(zhù)外加電壓峰峰值的增大先非常緩慢增加, 然后當放電面積鋪滿(mǎn)整個(gè)電極后呈線(xiàn)性增加。而放電電流和放電功率隨驅動(dòng)頻率的增加呈現出非常明顯的諧振現象, 實(shí)驗所得到的最佳匹配頻率和Chen 給出的理論計算結果存在差異。

　　大氣壓均勻介質(zhì)阻擋放電(Homogeneous Dielectric Barrier Discharge,HDBD) 是一種橫向均勻、非熱平衡的低溫等離子體放電, 由于其眾多優(yōu)異特點(diǎn)而備受關(guān)注, 它在材料表面處理、化纖改性、消毒滅菌、薄膜沉積、刻蝕等領(lǐng)域提供了十分廣泛的應用前景。目前大氣壓HDBD 通常在惰性氣體中較易產(chǎn)生, 然而由于空氣中含有78.08% 的氮氣和20.95%的氧氣, 既經(jīng)濟又實(shí)惠, 但是由于氧氣的負電性很強, 導致大氣壓空氣中HDBD 等離子體很難穩定獲得。

　　清華大學(xué)王新新教授的研究表明, 對于大氣壓空氣介質(zhì)阻擋放電, 對于不大于2 mm 的空氣間隙, 可能實(shí)現輝光放電; 而對于不小于5 mm的空氣間隙, 如果不能設法降低放電場(chǎng)強, 放電必然是流注形式, 不可能實(shí)現輝光放電。南開(kāi)大學(xué)的張曉丹等對硅薄膜沉積中等離子體輝光功率和阻抗進(jìn)行了測試和計算, 結果表明, 只有一少部分的功率用于輝光。而Chen等通過(guò)在等離子體反應器和交流電源之間插入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò ), 從而在大氣壓空氣中獲得了輝光放電。在DBD 實(shí)驗中, 所使用的電源通常為中高頻交流電源, 由于電抗性負載的存在, 電源不能有效地將功率輸送給等離子體反應器,當在交流電源與等離子體反應器之間增加一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )時(shí), 當電源將功率向負載端傳輸時(shí), 可以減弱電抗性負載對輸入功率的反射, 保護高頻電源; 另外還可以使電源盡可能輸出額定功率, 增加放電負載吸收電源提供的能量, 提高放電效率。

　　在本文中,在中頻交流電源和平板電極介質(zhì)阻擋放電反應腔之間并聯(lián)LC 匹配網(wǎng)絡(luò ), 實(shí)驗研究大氣壓氮氣介質(zhì)阻擋放電的放電模式, 以及放電特性隨外電壓和驅動(dòng)頻率的變換情況, 并對最佳匹配頻率的實(shí)驗結果和理論結果進(jìn)行對比分析。

　　圖1 給出了獲得常壓均勻HDBD 的實(shí)驗裝置示意圖。圖1 中的反應器采用鏡面拋光的板-板式電極結構( 150 mm×300 mm) , 上下電極均覆蓋1 mm厚的石英介質(zhì)板, 板板間距在0~50mm 可調。所使用的正弦交流電源可以提供峰峰值為0~50 kV 的電壓以及4~14 kHz 的驅動(dòng)頻率。純度為99.999 %的N2氣作為工作氣體。放電時(shí)的電壓和電流分別通過(guò)Tektronix P2000 型高壓探頭( 帶寬為200 MHz)和Tektronix TCP312 型電流探頭進(jìn)行測量, 并通過(guò)Tektronix TCP A300 型數字示波器進(jìn)行采集。大小為16.4 nF 的電容Cs 與反應器串連用于采集介質(zhì)板上積累電荷。圖1 中的虛線(xiàn)部分為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò ), 包括1 nF 高壓電容C1 和在47~300 pF 范圍內連續可調的電容C2 及2.732H 的電感L 。

圖1 實(shí)驗裝置示意圖

　　在中頻交流電源和DBD 等離子體反應器之間并聯(lián)LC 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )后, 當氣體間隙為3 mm 時(shí),大氣壓氮氣DBD 從絲狀放電轉化為了均勻放電。當驅動(dòng)頻率和氣體間隙保持不變時(shí), 當外加電壓峰峰值小于26 kV 時(shí), 放電電流和放電功率非常緩慢增加, 且放電面積逐漸增大并逐漸鋪滿(mǎn)整個(gè)電極; 隨后, 隨著(zhù)外加電壓峰峰值的繼續增加, 此時(shí)放電電流和放電功率呈線(xiàn)性增加。當外加電壓和氣體間隙保持不變時(shí), 放電電流和放電功率隨驅動(dòng)頻率的增加呈現出非常明顯的諧振現象, 實(shí)驗所得到的最佳匹配頻率和Chen 給出的理論計算結果存在差異。