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Atmospheric pressure plasma jet has received widespread attention due to its enormous potential applications in various fields, and its discharge conditions play a key role in changing their physical and chemical properties and ultimately determining its application effectiveness. Factors such as discharge voltage, gas flow rate, and the introduction of an external magnetic field intricately influence the performance of plasma jet. The combined effects of any two of these factors can yield enhanced outcomes, while also bringing complexity to the discharge phenomenon. However, there is currently a lack of research on the combined effects of external magnetic field, discharge voltage, and gas flow rate on the characteristics of plasma jets, making it difficult to comprehensively evaluate the discharge characteristics of plasma jet under multiple discharge conditions. Therefore, this paper focuses on an AC excited atmospheric pressure argon plasma jet and investigates the combined effects of external magnetic field, discharge voltage, and gas flow rate on various characteristic parameters of the plasma jet, including macroscopic morphology, discharge power, gas temperature Tg, electron excitation temperature Texc, electron density ne, emission intensity of excited state Ar* particles, and number density of ground state ·OH particles by using methods of camera shooting, and electrical parameter measurement, spectroscopic analysis of emission and absorption spectra. The obtained results are shown below. The effect of discharge voltage on the characteristic parameters of the plasma jet is not affected by gas flow rate or the existence of an external magnetic field. The increase of discharge voltage can improve jet performance by enhancing the discharge power, extending the plasma plume length, elevating the gas temperature Tg and electron excitation temperature Texc, increasing the electron density ne and emission intensity of excited state Ar* particles, as well as the number density of ground state ·OH particles. The addition of an external magnetic field can improve the jet performance without significantly changing the discharge power, and the extent of this improvement is influenced by the mode of magnetic field action. Notably, the enhancement of jet performance is most significant when the magnetic field selectively targets the plasma plume, excluding direct interaction with electrode discharge region. The effect of gas flow rate on jet performance becomes intricate: it is intertwined with the effect of voltage and the effect of external magnetic field. When an external magnetic field is present, excessive voltage and gas flow rate may reduce the number density of ground state ·OH particles generated by plasma jet. This underscores the need for a detailed understanding when optimizing jet performance under various discharge conditions. Simply combining the optimal conditions for each individual factor does not guarantee the achievement of peak jet performance when all three discharge conditions work synergistically. This study presents valuable insights into the discharge characteristics of plasma jet under different discharge conditions, providing guidance for optimizing the performance of plasma jet and promoting the advancement of atmospheric pressure plasma jet technology in different application fields.
1. 引 言
大气压等离子体射流(atmospheric pressure plasma jet, APPJ)能在低温下保持较强的物理化学活性, 同时还能将等离子体产生区域和工作区域分离, 具有很强的处理灵活性, 在生物医学[1–3]、表面改性[4,5]、材料制备[6,7]等诸多领域展示出了广阔的应用前景. APPJ的应用效果直接受到其物理性质和产生的化学活性粒子影响[8–10], 而这些物理化学特性又由放电条件决定. 因此了解不同放电条件下APPJ的放电特性对于优化应用结果至关重要.
电压和气体流速是常见的影响放电特性的参数[11–15], 研究者们开展了广泛的不同电压和气体流速下APPJ特性及其应用效果研究. 例如Huang等[16]研究了电压对APPJ传播速度的影响, 发现增大电压能加快电离波传播速度. Wang等[17]发现随着放电电压的增大, APPJ射流长度呈现先增大后趋于稳定的变化趋势. 虽然较高电压下射流长度不会受到影响, 但是射流末端会出现“跳动”的不稳定性现象. Chen等[18,19]观察到低压电下APPJ等离子体羽是无放电细丝的流光模式, 而随着电压增大会转变为有放电细丝的丝状模式, 后者电子密度更高, 对PET亲水性改善效果更优. 张雪雪等[20]发现随着电压增大, APPJ等离子体羽中的活性粒子浓度提升, 但气体温度可以基本保持不变. 田富超等[21]观察到APPJ长度会随着气体流速增大呈现先增大后减小的趋势. Jurov等[22]研究了气体流速对APPJ杀灭不同细菌的影响, 发现增大气体流速时能提高化学活性粒子浓度, 从而显著提升杀灭多种细菌的速率. 除了研究单个放电参数的影响外, 也有文献报道了电压和气体流速两者组合对APPJ的影响. 例如Bousba等[23]研究不同电压和气体流速下APPJ特性时, 发现两个变量的组合会影响等离子体羽湍流出现的阈值, 导致在较低气流流速下, APPJ射流长度随着电压的增大而增大, 但在较高气流流速下, APPJ射流长度随着电压的增大而减小.
除了电压和气体流速外, 近年来研究者发现外磁场也能通过磁化电子来影响电子碰撞反应以及后续的链式化学反应[24,25], 进而改变APPJ特性和应用效果. 例如Jiang等[26]观察到外磁场能增大APPJ的射流长度和改善放电均匀性. Liu等[27]和Xu等[28]发现外磁场能提高APPJ产生的活性粒子浓度, 使得其杀灭大肠杆菌和黑色素瘤的效率分别提高2.4倍和2倍. Sah等[29]利用APPJ降解纺织染料时, 发现外磁场引入后活性粒子浓度的增大提高了20%的降解效率. 此外, 外磁场也被报道能协同电压、气体流速等放电条件变化, 在优化放电性能和应用方面取得更佳的效果. 例如, Guo等[30]研究了外磁场和气体流速组合对放电均匀性的影响, 发现外磁场的加入可以使得实现均匀放电所需要的气体流速减小. Wang等[31]发现电场和磁场的结合能够促进电离, 可以在较低的电压下产生更长的APPJ射流.
通过以上分析可以看出, 调节电压或者气体流速以及施加外磁场, 这3种方式都可以改变APPJ性能及其应用效果, 而且两两组合的影响会起到更佳的效果, 但是这种组合影响也会使得放电现象的变化趋于复杂. 那么在外磁场作用下, 电压和气体流速对APPJ的影响如何? 目前尚未有这方面相关研究报道. 而研究外磁场、电压、气体流速三者组合作用下APPJ特性的变化规律, 可以更全面了解不同放电条件下APPJ的放电特性, 为优化APPJ放电性能提供指导, 有利于推动APPJ技术在不同应用领域的发展. 因此, 本文以交流电源驱动的氩气APPJ为研究对象, 利用相机拍摄和电气参数、发射光谱、吸收光谱测量等手段表征了放电的宏观形貌、功率、气体温度、电子激发温度、电子密度、激发态Ar∗光谱强度、基态·OH粒子数密度等参量, 研究了外磁场、电压、气体流速三者组合作用对上述APPJ参量的影响.
2. 实验装置与方法
实验装置如图1(a)所示, 包括APPJ产生系统、电参数诊断系统、光学诊断系统三部分. APPJ装置由一根外径6 mm、内径4 mm的石英玻璃管和两个厚度1 mm、宽度5 mm的铜环构成. 石英玻璃管上端通入氩气(纯度99.999%), 由质量流量控制器(型号Sevenstar D07-7)控制其气体流速. 两个铜环紧密贴附在石英玻璃管上, 相距10 mm. 其中上端铜管作为高压电极与高压交流电源相连, 下端铜环作为地电极与交流电源共地. 高压交流电源由实验室自制[32], 输出电压在0—27 kV连续可调, 电压抖动小于0.2 kV. 实验中电源频率固定为13.5 kHz. 高压交流电源施加到APPJ装置上的放电电压通过高压探头(型号Tektronix P6015A)测量并在示波器(型号Tektronix DPO2014)上显示记录. 为了得到APPJ的放电功率, 还在放电低压端回路中串联了一个1 nF的电容. 通过低压探头(型号Tektronix TPP0051)测量电容两端的电压, 然后结合放电电压, 就可以利用Lissajour图计算放电功率[33,34]. APPJ放电形貌由数码相机(型号Canon R50)拍摄, 曝光时间设置为1/15 s.
图 1 (a) APPJ实验装置; (b) 磁场系统Fig. 1. (a) Experimental setup of APPJ; (b) magnetic field system.为了研究外磁场的影响, 搭建了如图1(b)所示的4种磁场与APPJ相互作用方式. 通过调节升降平台高度可以改变磁场与APPJ的作用方式. Case 1中没有磁场作用, Case 2中外磁场作用于整个APPJ, Case 3中外磁场作用于低压电极和等离子体羽, Case 4中外磁场仅作用于等离子体羽. 不同相互作用方式中的外磁场都是由两块相距4 cm的平行磁铁(型号Amoeba N52)产生. 通过台式高斯计(型号Tunkia TD8650)测量磁感应强度, 发现磁铁的表面强度约为500 mT, 其在作用区域产生的磁场为匀强磁场, 强度约为125 mT.
光学诊断系统可以对APPJ的发射光谱和吸收光谱进行测量. 利用凸透镜汇聚APPJ等离子羽产生的光信号, 然后经光纤收集传输到光谱仪(型号AvaSpect-2048-8)中, 由光谱采集软件分析发射光谱信号. 光谱仪的狭缝宽度为5 μm, 分辨率为0.042 nm. 典型的APPJ发射光谱图如图2(a)所示, 实现了光谱的高分率测量, 能清晰观测到Ar(4p-4s)谱线和OH(A-X)谱带. 利用Ar(4p-4s)谱线可以结合Stark展宽法和玻尔兹曼斜率法计算电子密度和电子激发温度[35,36], 利用OH(A-X)谱带可以结合玻尔兹曼斜率法计算气体温度[37], 相关示意图在图2(b)—(d)中展示. 吸收光谱测量时, 由紫外光源产生稳定光信号, 穿过等离子体区域时会被部分吸收, 然后由透镜和光纤收集剩余光信号, 传递到光谱仪上进行分析. 实验中利用对309 nm附近处紫外光的吸收特性进行吸收光谱原位测量, 可以得到基态 ·OH粒子数密度[38]. 上述特征参量的具体表征计算方法见补充材料(https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.73.20241166).
图 2 (a)发射光谱图; (b)计算电子密度示意图; (c)计算电子激发温度示意图; (d)计算气体温度示意图Fig. 2. (a) Diagram for optical emission spectrum; (b) diagram for electron density calculation; (c) diagram for electron excitation temperature calculation; (d) diagram for gas temperature calculation.3. 研究结果
3.1 放电形貌
图3(a)展示了一组氩气APPJ放电形貌随电压变化的照片, 其气体流速为6 L/min(标准状况), 磁场作用方式为Case 1, 电压值在图中给出. 可以看到, 高低压之间的放电为明亮的白色细丝, 喷口下方的等离子羽形状类似一把“剑”, 为白色羽毛状且在末端带有微弱的紫色光. 随着放电条件的变化, 等离子羽的长度明显不同. 图3(b)直观展示了APPJ等离子体羽长度随放电条件的变化. 可以看到, 等离子体羽长度与电压大小呈正比例关系. 例如在Case 1、气体流速6 L/min(标准状况)下, 当电压从19 kV增至24 kV时, 长度从12.21 mm增至24.72 mm.另外3种外磁场作用方式(Case 2—Case 4)均可提升等离子体羽长度. 例如在22 kV, 6 L/min(标准状况)下, Case 1中的长度为21.57 mm, 而Case 2—Case 4中的长度分别达到了28.55, 29.72, 29.89 mm. 同时也需注意到, Case 2中长度低于Case 3和Case 4的长度, 而后两者情况中长度差异较小. 等离子体羽长度与气体流速的关系比较复杂. 没有外磁场时, 在低电压下长度随着气体流速的增大而增大, 而在较高电压下呈下降趋势. 例如Case 1中, 当气体流速从6 L/min(标准状况)增至8 L/min(标准状况)时, 在19 kV下长度能从12.21 mm增至16.42 mm, 但在24 kV时长度却从24.72 mm略微下降到22.77 mm. 引入外磁场后, 不论在何种磁场作用方式下, 长度随着气流的增大而下降.
图 3 (a) APPJ放电形貌; (b) 等离子体羽长度随放电条件的变化Fig. 3. (a) APPJ discharge morphology; (b) variation of plume length with discharge conditions.3.2 放电功率
图4展示了不同放电条件下的APPJ放电功率变化, 功率随着电压的增大而增大. 例如Case 1, 6 L/min(标准状况)下, 电压从19 kV增至24 kV时, 功率从0.86 W增大了69.77%, 达到1.46 W. 而引入外磁场和改变气体流速并不会显著影响功率. 引入外磁场和改变气体流速时功率变化最大出现在电压24 kV时, 此时Case 1, 6 L/min (标准状况)下功率为1.46 W, 而外磁场作用方式变为Case 4或者气体流速增至8 L/min (标准状况)时, 放电功率均为1.25 W, 仅减小14.38%.
3.3 气体温度和电子激发温度
图5(a)展示了不同放电条件下APPJ气体温度Tg的变化情况, Tg随着电压的增大而升高. 例如在Case 1, 8 L/min(标准状况)下, 当电压从19 kV增至24 kV时, Tg从298 K升高到了311 K. 引入外磁场之后, Tg会有升高趋势, 且不同磁场作用方式下的排序为Case 4＞Case 3＞Case 2. 例如在24 kV, 8 L/min(标准状况)下, Case 1中Tg为311 K, 而Case 2—Case 4中Tg能分别增至314, 318, 321 K. 气体流速对Tg的影响与电压大小和外磁场作用方式有关. 在Case 1—Case 3中, 无论电压如何, 气体流速增大都会较明显的提升Tg; 但是在Case 4中, 低电压小气体流速提升Tg的效应较明显, 而高电压下气体流速提升Tg的效应不显著. 例如当气体流速从6 L/min增至8 L/min (标准状况)时, 在20 kV下, Case 1—Case 4中的Tg能分别从297 K, 302 K, 304 K, 307 K提升到302 K, 310 K, 311 K, 315 K; 在23 kV下, Case 1—Case 3中的Tg也能分别从302 K, 303 K, 307 K提升到309 K, 313 K, 318 K, 但是Case 4中的Tg却保持在318—319 K.
图 5 (a)气体温度和(b)电子激发温度随放电条件的变化Fig. 5. Variation of (a) gas temperature and (b) electron excitation temperature with discharge conditions.图5(b)展示了不同放电条件下APPJ电子激发温度Texc的变化情况, Texc随着电压的增大呈现升高趋势. 例如在Case 1, 6 L/min (标准状况)下, 当电压从19 kV增至24 kV时, Texc能从2144 K升高到2292 K. 引入外磁场之后, Texc会有升高趋势, 但是在不同磁场作用方式下增大幅度会有差异, 其排序为Case 4＞Case 3＞Case 2. 例如在23 kV, 6 L/min (标准状况)下, Case 1中的Texc为2284 K, 而Case 2—Case 4中的Texc能分别增至2332 K, 2401 K, 2550 K. 增大气体流速后Texc基本呈现下降趋势. 但是气体流速的变化会使得电压和外磁场对Texc的影响复杂化. 例如电压19 kV, Case 1下, 增大气体流速时Texc变化就会不显著; 气体流速增大后还会减小不同外磁场作用方式下Texc的差异性, 尤其是高气体流速下Case 3中的Texc只是略高于Case 2.
3.4 电子密度
图6展示了不同放电条件下APPJ电子密度ne的变化情况, ne随着电压的升高会有小幅增大的趋势. 例如在Case 1, 6 L/min(标准状况)下, 当电压从19 kV增至24 kV时, ne从1.32×1021 m–3变为1.44×1021 m–3. 引入外磁场之后, ne有增大趋势, 但是不同磁场作用方式下增大幅度会有差异, 其排序为Case 4＞Case 3＞Case 2. 例如在20 kV, 8 L/min (标准状况)条件下, Case 1中ne为1.73×1021 m–3, 而Case 2—Case 4中的ne能分别增至2.15×1021 m–3, 2.78×1021 m–3, 2.94×1021 m–3. 增大气体流速时ne呈现增大趋势, 其幅度与磁场作用方式有关. 在Case 4中, 增大气体流速只会小幅提升ne; 但是在Case 1—Case 3中, 增大气体流速会显著提升ne. 例如在23 kV下, 当气体流速从6 L/min(标准状况)增至8 L/min(标准状况)时, Case 1—Case 3中ne能分别从1.43×1021 m–3, 1.58×1021 m–3, 1.68×1021 m–3提升到2.31×1021 m–3, 2.58×1021 m–3, 2.85×1021 m–3, 而Case 4中ne仅从2.91×1021 m–3变为2.98×1021 m–3.
图 6 电子密度随放电条件的变化Fig. 6. Variation of electron number density with discharge conditions.3.5 激发态Ar*光谱强度和基态·OH粒子数密度
图7(a), (b)显示了激发态Ar*光谱强度和基态·OH粒子数密度在不同条件下的变化情况. 激发态Ar*泛指不处于基态的氩原子, 这儿是利用Ar(4p-4s)在706.72 nm处的谱线强度来表示激发态Ar*光谱强度. 可以看到, 两种粒子强度/密度随着电压增大均呈现略微增大趋势. 例如在Case 1, 8 L/min(标准状况)下, 当电压从19 kV增至24 kV时, Ar*光谱强度和·OH粒子数密度分别从1266 arb.units, 3.47×1019 m–3增至1560 arb.units, 3.55×1019 m–3. 引入外磁场之后, 两种粒子强度/密度有增大趋势, 且在不同磁场作用方式下的排序为Case 4＞Case 3＞Case 2. 在24 kV, 6 L/min(标准状况)下, Case 1中的Ar*光谱强度和·OH粒子数密度分别为1487 arb.units和3.49×1019 m–3, 而Case 2—Case 4中分别增至2525 arb.units和3.50×1019 m–3, 2616 arb.units和3.53×1019 m–3, 2765 arb.units和3.69×1019 m–3. 随着气体流速的增大, Ar*光谱强度增大; ·OH粒子数密度在Case 1到Case 3中也会略微增大, 但在Case 4中的变化趋势将会不明显, 甚至在高电压时出现下降趋势. 例如当气体流速从6 L/min(标准状况)增至8 L/min(标准状况)时, 在23 kV下, Case 1—Case 4中的Ar*光谱强度能分别从1446, 2304, 2463, 2560 arb.units增至1492, 2475, 2640, 2866 arb.units; ·OH粒子数密度在Case 1—Case 3中分别从3.48×1019 m–3, 3.50×1019 m–3, 3.53×1019 m–3提升到3.54×1019 m–3, 3.55×1019 m–3, 3.61×1019 m–3, 但是Case 4中却从3.62×1019 m–3略微下降到3.61×1019 m–3.
图 7 (a)激发态Ar*光谱强度和(b)基态·OH粒子数密度随放电条件的变化Fig. 7. Variation of (a) excited Ar* spectral intensity and (b) ·OH number density with discharge conditions.4. 影响机理
实验中发现无论外磁场作用方式以及气体流速如何, 电压增大会增大放电功率、提升等离子体羽长度、升高气体温度Tg和电子激发温度Texc、提高电子密度ne和激发态Ar*光谱强度以及基态·OH粒子数密度. 当施加的电压增大时, 注入APPJ放电体系的能量增大[39], 因此导致放电功率增大. 此时放电空间电场强度增强[40], 电子获得的能量将增大, 能更有效碰撞电离生成更多电子[41], 提高ne. 而电子能量和密度的提升能延长其反应路径, 增强APPJ与周围环境气体之间的碰撞反应, 宏观表现为APPJ等离子体羽长度变长. 另外, 电子与氛围粒子间更频繁的碰撞也会使得APPJ体系能量传递过程加快, 增大的功率将通过能量传递过程使得Texc和Tg升高. 而ne, Texc的提升将加剧链式化学反应的反应速率(如(1)式—(3)式所示[42–44], 其中k为反应速率系数, ε为电子温度, 可近似用Texc代替), 从而导致生成更多的激发态Ar*原子和基态·OH粒子, 因此其发射光谱强度/粒子数密度增大.
e+Ar→Ar∗+e,k=2.1×10−14exp(−13.13/ε) m3/s, (1) e+H2O→⋅OH+⋅H+e,k=5.15×10−15ε0.62exp(−10.9/ε) m3/s, (2) Ar∗+H2O→⋅OH+⋅H+Ar,k=4.8×10−10cm3/s. (3) 在APPJ体系中引入外磁场时, 它能磁化放电空间电子[45], 使其受到洛伦兹力而做拉莫尔回旋运动[46]. 虽然这不会引起放电功率的显著变化, 但是能通过改变放电空间内电子的运动轨迹, 降低电子扩散系数从而延长高能电子在放电空间内的停留时间, 使放电空间内高能电子的比例以及其与氛围粒子间的碰撞概率增大[47], 最终影响APPJ的放电特性, 增强了等离子体羽长度、气体温度Tg、电子激发温度Texc、电子密度ne、激发态Ar*光谱强度、基态·OH粒子数密度等参量.
此外, 实验中还发现外磁场与APPJ的作用方式会影响APPJ特性. 除了等离子体羽长度外, 气体温度Tg、电子激发温度Texc、电子密度ne、激发态Ar*光谱强度、基态·OH粒子数密度等参量在不同作用方式下的数值排序均为Case 4＞Case 3＞Case 2. 原因分析如下: 本文研究中外磁场方向与APPJ等离子体羽方向垂直. 在这个垂直磁场的作用下, 等离子体羽方向上的电子受到朝向APPJ石英管壁的洛伦兹力. 因此, 磁化电子可以与石英管壁复合, 限制了它们的进一步碰撞和发展. 在Case 2中, 外磁场覆盖了两个电极和等离子体羽, 这意味着外磁场作用区域内的石英管最长. 此时, 磁化电子与管壁复合的概率最高, 电子和能量损失最大, 温度和活性粒子增大幅度最小. 当外磁场位置调整到Case 3时, 它只覆盖了低压电极和等离子体羽. 此时, 外磁场作用区域内石英管的长度缩短, 导致磁化电子与管壁复合的概率降低, 电子和能量损失减少, 温度和活性粒子增加幅度大于Case 2. 通过进一步将位置降低到Case 4, 外磁场仅覆盖了等离子体羽. 此时, 外磁场作用区域缺少石英管, 允许磁化电子在开放的空气中自由移动, 而不会与管壁发生复合损失, 电子和能量损失最小, 温度和活性粒子增加幅度最大. 虽然等离子体羽长度不完全满足上述规律, 但也是在Case 2情况下最短的, 而在Case 3和Case 4中长度相差不大. 分析原因可能是因为较长等离子体羽长度下湍流效应加剧, 导致Case 3和Case 4中的长度呈现波动性, 因此差异性不大.
类似外磁场, 气体流速的变化不会显著影响放电功率, 但会改变APPJ的放电特性. 不过气体流速对放电特性的改变会受到电压、外磁场的影响, 变得复杂化. 对于等离子体羽长度, 在没有外磁场(Case 1)、低电压的情况下, 增大气体流速时, 放电空间的粒子数增多, 促进了碰撞电离, APPJ等离子体羽长度增大; 但是当等离子体羽长度过长后(例如没有外磁场时高电压放电或者引入外磁场时放电), 气体流速增大会导致湍流效应变得明显, 此时等离子体羽长度反而呈现下降趋势. 对于电子密度ne, 增大气体流速后, 碰撞电离的促进会生成更多的电子, 因此ne增大. 在Case 2—Case 3中, 增大气体流速能减小电子与APPJ管壁的复合作用, 此时ne提升效果显著. Case 1和Case 4中不涉及到管壁复合作用的差异性, 但是这两种情况下ne增长情况具有差异性. 分析原因可能是Case 4中等离子羽长度过长, 导致电子与氛围空气粒子的吸附效应增大, 因此ne变化不显著, 而Case 1中等离子体长度较短, 因此ne提升显著. 对于气体温度Tg和电子激发温度Texc, 增大气体流速时粒子间更频繁的碰撞将导致能量传递过程加快, 因此Tg基本呈现升高趋势; 而频繁碰撞导致能量消耗变多, 为了持碰撞电离过程和离子逃逸过程损失能量的平衡[48], 此时Texc会降低. 不过在Case 4、高电压的情况下, 等离子体羽长度较长, APPJ与氛围空气粒子的碰撞导致散热增强, 此时再增大气体流速时对提升Tg的效果不显著. 另外, 在Case 1、低电压(19 kV)的情况下, 此时放电相对较弱, 气体流速增大导致的碰撞消耗能量效应不明显, 因此Texc也不会发生显著变化. 此外, 在Case 2和Case 3中, 增大气体流速时减小的电子与APPJ管壁复合效应能弥补部分碰撞消耗能量效应, 而且Case 2中减小的电子与APPJ管壁复合效应更显著, 因此缩小了与Case 3中Texc的差异性. 对于激发态Ar*和基态·OH粒子, 增大气体流速时粒子间更频繁的碰撞能导致生成更多的活性粒子, 因此Ar*光谱强度增大; ·OH粒子数在Case 1—Case 3中也会随着气体流速增大而略微增加, 但是在Case 4中的变化趋势将会不明显, 甚至在高电压(22—24 kV)时出现下降趋势. 出现这种情况的原因是因为在Case 4、高电压的情况下, 随着气体流速增大, APPJ的等离子羽长度下降, 而ne没有显著变化, 这减弱了等离子羽与氛围空气粒子的碰撞, 因此·OH粒子数下降, 而激发态Ar*来源于等离子内部, 不受上面特征参量变化的影响. 从此处也可以看出, 虽然高电压、高气体流速、外磁场单个影响下往往能取得有益效果, 促进APPJ物理化学活性, 但是当三者组合作用时, 并不是总能取得更优效果, 这也说明更全面了解不同放电条件组合下APPJ放电特性变化的必要性.
5. 结 论
本文利用交流电源驱动氩气APPJ, 研究了不同电压、气体流速、外磁场作用方式三者组合下, 放电的宏观形貌、功率、气体温度、电子激发温度、电子密度、激发态Ar*光谱强度、基态·OH粒子数密度等参量的变化规律. 主要结论如下.
1)电压对APPJ上述参量的影响规律不受气体流速和外磁场的影响, 增大电压能提升上述参量性能.
2)加入外磁场可以在不引起放电功率显著变化的情况下提升APPJ上述其余参量, 其提升效果受到外磁场作用方式的影响. 除了等离子羽长度和放电功率外, 其他参量数值在不同外磁场作用方式下的排序为Case 4＞Case 3＞Case 2. 当等离子羽长度过长后, Case 3和Case 4中的长度差异性不大.
3)气体流速不会显著改变APPJ放电功率, 对其他参量的改变也会受到电压和外磁场的影响, 变得复杂化. 当三者协同作用时, 并不是在单个条件最优的组合情况下取得最佳的APPJ性能.
本研究有助于更全面了解多放电条件组合下APPJ特性的变化规律, 能为优化APPJ放电性能提供指导, 有利于推动APPJ技术在不同应用领域的发展.
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[14] Xu H M, Gao J G, Jia P Y, Ran J X, Chen J Y, Li J M 2024 Chin. Phys. B 33 015205
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[15] 陈忠琪, 钟安, 戴栋, 宁文军 2022 物理学报 71 165201
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Chen Z Q, Zhong A, Dai D, Ning W J 2022 Acta Phys. Sin. 71 165201
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[16] Huang B D, Zhang C, Zhu W C, Lu X P, Shao T 2021 High Volt. 6 665
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[20] 张雪雪, 贾鹏英, 冉俊霞, 李金懋, 孙换霞, 李雪辰 2024 物理学报 73 085201
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[21] 田富超, 陈雷, 裴欢, 白洁琪, 曾文 2023 光谱学与光谱分析 43 3682
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[25] 刘坤, 杨明昊, 周雄峰, 白杨, 冉从福 2023 高等学校化学学报 44 20230327
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Liu K, Yang M H, Zhou X F, Bai Y, Ran C F 2023 Chem. J. Chin. Universities 44 20230327
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-
图 1 (a) APPJ实验装置; (b) 磁场系统
Figure 1. (a) Experimental setup of APPJ; (b) magnetic field system.
图 2 (a)发射光谱图; (b)计算电子密度示意图; (c)计算电子激发温度示意图; (d)计算气体温度示意图
Figure 2. (a) Diagram for optical emission spectrum; (b) diagram for electron density calculation; (c) diagram for electron excitation temperature calculation; (d) diagram for gas temperature calculation.
图 3 (a) APPJ放电形貌; (b) 等离子体羽长度随放电条件的变化
Figure 3. (a) APPJ discharge morphology; (b) variation of plume length with discharge conditions.
图 4 放电功率随放电条件的变化
Figure 4. Variation of power with discharge conditions.
图 5 (a)气体温度和(b)电子激发温度随放电条件的变化
Figure 5. Variation of (a) gas temperature and (b) electron excitation temperature with discharge conditions.
图 6 电子密度随放电条件的变化
Figure 6. Variation of electron number density with discharge conditions.
图 7 (a)激发态Ar*光谱强度和(b)基态·OH粒子数密度随放电条件的变化
Figure 7. Variation of (a) excited Ar* spectral intensity and (b) ·OH number density with discharge conditions.
-
[1] Ma L, Chen Y, Gong Q, Cheng Z, Ran C F, Liu K, Shi C M 2023 Free Rad. Biol. Medic. 204 184
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