阻抗匹配对大气压氮气介质阻挡放电的影响

　　在介质阻挡放电装置中, 使用阻抗匹配网络后, 当气体间隙为3 mm 时, 在大气压氮气中获得了均匀介质阻挡放电等离子体, 放电模式为汤森放电。在其他放电参数不变的情况下, 放电电流和放电功率随着外加电压峰峰值的增大先非常缓慢增加, 然后当放电面积铺满整个电极后呈线性增加。而放电电流和放电功率随驱动频率的增加呈现出非常明显的谐振现象, 实验所得到的最佳匹配频率和Chen 给出的理论计算结果存在差异。

　　大气压均匀介质阻挡放电(Homogeneous Dielectric Barrier Discharge,HDBD) 是一种横向均匀、非热平衡的低温等离子体放电, 由于其众多优异特点而备受关注, 它在材料表面处理、化纤改性、消毒灭菌、薄膜沉积、刻蚀等领域提供了十分广泛的应用前景。目前大气压HDBD 通常在惰性气体中较易产生, 然而由于空气中含有78.08% 的氮气和20.95%的氧气, 既经济又实惠, 但是由于氧气的负电性很强, 导致大气压空气中HDBD 等离子体很难稳定获得。

　　清华大学王新新教授的研究表明, 对于大气压空气介质阻挡放电, 对于不大于2 mm 的空气间隙, 可能实现辉光放电; 而对于不小于5 mm的空气间隙, 如果不能设法降低放电场强, 放电必然是流注形式, 不可能实现辉光放电。南开大学的张晓丹等对硅薄膜沉积中等离子体辉光功率和阻抗进行了测试和计算, 结果表明, 只有一少部分的功率用于辉光。而Chen等通过在等离子体反应器和交流电源之间插入阻抗匹配网络, 从而在大气压空气中获得了辉光放电。在DBD 实验中, 所使用的电源通常为中高频交流电源, 由于电抗性负载的存在, 电源不能有效地将功率输送给等离子体反应器,当在交流电源与等离子体反应器之间增加一个阻抗匹配网络时, 当电源将功率向负载端传输时, 可以减弱电抗性负载对输入功率的反射, 保护高频电源; 另外还可以使电源尽可能输出额定功率, 增加放电负载吸收电源提供的能量, 提高放电效率。

　　在本文中,在中频交流电源和平板电极介质阻挡放电反应腔之间并联LC 匹配网络, 实验研究大气压氮气介质阻挡放电的放电模式, 以及放电特性随外电压和驱动频率的变换情况, 并对最佳匹配频率的实验结果和理论结果进行对比分析。

　　图1 给出了获得常压均匀HDBD 的实验装置示意图。图1 中的反应器采用镜面抛光的板-板式电极结构( 150 mm×300 mm) , 上下电极均覆盖1 mm厚的石英介质板, 板板间距在0~50mm 可调。所使用的正弦交流电源可以提供峰峰值为0~50 kV 的电压以及4~14 kHz 的驱动频率。纯度为99.999 %的N2气作为工作气体。放电时的电压和电流分别通过Tektronix P2000 型高压探头( 带宽为200 MHz)和Tektronix TCP312 型电流探头进行测量, 并通过Tektronix TCP A300 型数字示波器进行采集。大小为16.4 nF 的电容Cs 与反应器串连用于采集介质板上积累电荷。图1 中的虚线部分为阻抗匹配网络, 包括1 nF 高压电容C1 和在47~300 pF 范围内连续可调的电容C2 及2.732H 的电感L 。

图1 实验装置示意图

　　在中频交流电源和DBD 等离子体反应器之间并联LC 阻抗匹配网络后, 当气体间隙为3 mm 时,大气压氮气DBD 从丝状放电转化为了均匀放电。当驱动频率和气体间隙保持不变时, 当外加电压峰峰值小于26 kV 时, 放电电流和放电功率非常缓慢增加, 且放电面积逐渐增大并逐渐铺满整个电极; 随后, 随着外加电压峰峰值的继续增加, 此时放电电流和放电功率呈线性增加。当外加电压和气体间隙保持不变时, 放电电流和放电功率随驱动频率的增加呈现出非常明显的谐振现象, 实验所得到的最佳匹配频率和Chen 给出的理论计算结果存在差异。