等离子体羽中氧原子的光谱强度分布

Ｆｉｇ．３ Ｏｐｔｉｃａｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ７６０ｔｏ ８８０ｎｍ
进一步测量了氧原子发射谱线（７７７．５和８４４．６ｎｍ）强度 的空间分布，结果如图４所示。可 见 发 射 谱 线 强 度 在 针 电 极 附 近 很 强 ，而 其 他 地 方 相 对 较 弱 并 且 强 度 几 乎 保 持 不 变 。
关 键 词 等 离 子 体 羽 ；光 谱 法 ；空 间 分 布 ；发 光 信 号 ；杀 菌 消 毒 中 图 分 类 号 ：Ｏ４６１．２；Ｏ４３３．４ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１２）０４－０８９０－０３
引 言
大气压放电产生的低温等离子体由于不需要真空装置， 在工业上具有重要应用。在Leabharlann Baidu 种 类 型 的 大 气 压 放 电 中，等 离 子体喷枪是产生低温等离子体的重要技 术 之 一。等 离 子 体 喷 枪能够产生等离子体羽［１］，从而可以对复 杂 材 料 进 行 三 维 处 理。
Ａ２０１１２０１１３２），河 北 大 学 杰 出 青 年 项 目 （Ｊ２０１０－０２）和 河 北 省 教 育 厅 优 秀 青 年 基 金 项 目 （Ｙ２０１１１２０）资 助 作 者 简 介 ：李 雪 辰 ，１９７６ 年 生 ，河 北 大 学 物 理 科 学 与 技 术 学 院 教 授 ｅ－ｍａｉｌ：ｘｃｌｉ＠ｍａｉｌ．ｈｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ｆｉｇ．４ Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｅｍｉｔｔｅｄ ｆｒｏｍ ｏｘｙｇｅｎ ａｔｏｍ
Ｆｉｇ．２ Ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｌｕｍｅ（ａ）ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅ （ｂ）
实验采集了放电的发射光谱，在３００～５００ｎｍ 的 范 围 内 主要是氮分子的发射谱线。而在７６０～８８０ｎｍ 的范 围 内 发 现 了氧原子７７７．５～８４４．６ｎｍ 谱 线，如 图 ３ 所 示。波 长 ７７７．５
Ｆｉｇ．５ Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｌａｓ－ ｍａ ｐｌｕｍｅ，（ａ）ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ （ｂ）ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｎｅｅｄｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ（ｃ）ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅ－ ｇｉｏｎ ｆａｒ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｎｅｅｄｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
等离子体针放电装置与等离子体喷 枪 类 似，可 以 产 生 大 气压等离 子 体 羽［２］。关 于 针 放 电 ，其 研 究 最 初 始 于 电 晕 放 电。由于针电极电晕放电产生 等 离 子 体 空 间 尺 度 很 小 ，不 利 于其应用，主要应用在等离子 体 化 学 反 应 方 面。很 多 研 究 者 对针电极放电进 行 了 改 进 。如 ２００５ 年 Ｓｔａａｃｋ［３］在 直 流 激 励 下 实 现 了 气 隙 间 距 ３ ｍｍ 的 大 气 压 空 气 均 匀 放 电 。同 年 Ｍａｃｈａｌａ等［４］利用相 距 ５ ｍｍ 的 两 个 铂 针 做 直 流 放 电 电 极 ， 通过微波等离子体炬预热空 气 到 ２ ０００Ｋ 后 吹 入 放 电 区，从 而在气流方向产 生 了 大 气 压 空 气 等 离 子 体 。Ｍａｃｈａｌａ等［５］利 用６ｍｍ 间隙的针－板放 电 装 置，发 现 放 电 有 流 光 电 晕 模 式、 火花放电模式。
空 气 放 电 产 生 的 低 温 等 离 子 体 中 含 有 原 子 氧 、臭 氧 等。 原子 氧、臭 氧、ＯＨ 等 能 够 杀 灭 细 菌 病 毒 等，因 而 在 医 疗 领 域 具 有 重 要 用 途［６］。原 子 氧 与 ＣＯ 和 ＳＯ２ 发 生 等 离 子 体 化 学
反应，是尾气处理中实现硫氧化物和氮氧 化 物 脱 除 的 重 要 途 径。可见杀菌消毒效率、硫氮氧 化 物 的 脱 除 效 率 由 原 子 氧 的 浓度决定。Ｏｎｏ等［７］利用激光诱导荧 光 法 测 量 了 脉 冲 电 晕 放 电的臭氧和 ＯＨ 自由基浓度。
本工作利用等离子体针放电装置产生了大气压空气等离 子体羽，利用发射光谱法对等离子体羽中 氧 原 子 谱 线 强 度 的 空间分布进行了研究。通过对等离子体羽 的 发 光 信 号 进 行 了 空 间 分 辨 测 量 ，对 氧 原 子 谱 线 强 度 的 空 间 分 布 进 行 了 分 析 。
１ 实 验 部 分
＊ 通 讯 联 系 人 ｅ－ｍａｉｌ：ｐｌａｓｍａｌａｂ＠１２６．ｃｏｍ
第４期 光谱学与光谱分析
８９１
实现对放电光谱信号的空间分辨测量。
ｎｍ 谱线源于激发 态 ３ｐ５ Ｐ→３ｓ５ Ｓ 间 的 跃 迁，而 ８４４．６ｎｍ 谱 线 源 于 ３ｐ３ Ｐ→３ｓ３ Ｓ 间 的 跃 迁［８］。这 些 结 果 表 明 在 大 气 压 空 气等离子体针放电中通过高能电子和氧 分 子 碰 撞，造 成 了 氧 分子的分解并产生了激发态氧原子。众所 周 知 氧 原 子 具 有 强 氧化性，氧原子对杀菌消毒具 有 重 要 作 用。因 此 图 ３ 说 明 大 气压等离子体针放电有望应用于医疗领域。
８９２
光谱学与光谱分析 第３２卷
为了解 释 以 上 实 验，通 过 透 镜 对 放 电 发 光 信 号 进 行 成 像，在像平面利用光电倍增管 探 测 发 光 信 号，从 而 实 现 空 间 分 辨 测 量 。结 果 如 图 ５ 所 示 。 从图５可以看出，针电极附近的发 光 脉 冲 宽 度 为 几 个 微 秒 ，而 其 他 位 置 的 发 光 脉 冲 宽 度 很 窄 ，大 约 只 有 ０．１６μｓ。这 表明靠近针电极区和远离针电极区的每个电压周期中放电时 间存在巨大差别。图４测量的氧原子谱 线 强 度 为 时 间 积 分 的 结果，由于靠近针电极区的放电时间远大 于 其 他 区 域 的 放 电 时 间 ，因 此 靠 近 针 电 极 的 氧 原 子 谱 线 强 度 要 大 于 其 他 区 域 。
李雪辰，贾鹏英＊ ，袁 宁，杨宝柱
河北大学物理科学与技术学院，河北 保定 ０７１００２
摘 要 大气压等离子体羽放电产生的低温等离子体 由 于 不 需 要 真 空 装 置 ，可 以 对 复 杂 材 料 进 行 三 维 处 理 等，在工业上具有广泛的应用前景。本工作利用 等 离 子 体 针 放 电 装 置 在 大 气 压 空 气 中 产 生 了 稳 定 的 等 离 子 体羽。通过光谱测量，发 现 等 离 子 体 羽 发 射 谱 中 存 在 ７７７．５ 和 ８４４．６ｎｍ 的 氧 原 子 谱 线。这 表 明 在 大 气 压 空 气放电中产生了具有高化学活性的氧原子。通 过 光 谱 学 方 法 研 究 了 氧 原 子 谱 线 强 度 的 空 间 分 布 ，发 现 靠 近 电极处氧原子谱线强度远大于其他位置。为了 对 这 一 现 象 进 行 解 释，利 用 光 电 倍 增 管 对 等 离 子 体 羽 的 发 光 信号进行了空间分辨测量，发现靠近电极处发 光 信 号 宽 度 远 大 于 其 他 位 置 的 发 光 信 号 宽 度 。这 些 结 果 对 大 气压空气等离子体羽在杀菌消毒等领域的应用具有重要意义。
实验装置如图１所示。放 电 电 极 是 一 个 等 离 子 体 针，该 针由钨制成。钨针长度约为 ２．５ｃｍ，其 中 针 尖 半 径 约 为 １００ μｍ。该等离子体针和高压电 源（４０ｋＨｚ）的 高 压 输 出 端 相 连。 由于只有一 个 电 极 与 电 源 相 连 ，因 此 该 放 电 属 于 单 电 极 放 电。 利 用 高 压 探 头 （泰 克 公 司 Ｐ６０１５Ａ）来 探 测 高 压 输 出 信 号，利用光电倍增 管 （ＥＴ 公 司 ９０８５ＳＢ）探 测 放 电 发 光 信 号。 电压信号和发 光 信 号 都 输 入 示 波 器 （泰 克 公 司 ＤＰＯ４０５４）进 行显示和存储。利用数码 相 机 （Ｋｏｎｉｃａ Ｚ２）对 放 电 进 行 拍 照， 曝光时间为８ｍｓ。放电发光经过凸透镜成像，在像 平 面 利 用 光纤探测。光纤与光谱仪（普 林 斯 顿 仪 器 公 司 ＳＰ２７５８）相 连，
第３ ２卷 ，第４期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ ２ 年 ４ 月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．４，ｐｐ８９０－８９２ Ａｐｒｉｌ，２０１２
等离子体羽中氧原子的光谱强度分布
利用等离子体针放电装置在大气压空气中产生了长度为
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
［１］ Ｌｉ Ｘ Ｃ，Ｊｉａ Ｐ Ｙ，Ｙｕａｎ Ｎ，ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．ｏｆ Ｐｌａｓｍａｓ，２０１１，１８：０４３５０５． ［２］ Ｌｉ Ｘ Ｃ，Ｄｏｎｇ Ｌ Ｆ，Ｚｈａｏ Ｎ，ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，２００７，９１：１６１５０７． ［３］ Ｓｔａａｃｋ Ｄ，Ｆａｒｏｕｋ Ｂ，Ｇｕｔｓｏｌ Ａ，ｅｔ ａｌ．Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，２００５，１４：７００． ［４］ Ｍａｃｈａｌａ Ｚ，Ｌａｕｘ Ｃ Ｏ，Ｋｒｕｇｅｒ Ｃ Ｈ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ．，２００５，３３（２）：３２０． ［５］ Ｍａｃｈａｌａ Ｚ，Ｊｅｄｌｏｖｓｋｙ Ｉ，Ｍａｒｔｉｓｏｖｉｔｓ Ｖ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ．，２００８，３６（４）：９１８． ［６］ Ｄｏｎｇ Ｌ Ｆ，Ｚｈａｎｇ Ｙ Ｚ，Ｌｉｕ Ｗ Ｙ，ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，２００９，９４：０９１５０２． ［７］ Ｏｎｏ Ｒ，Ｏｄａ Ｔ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２００３，９３（１０）：５８７６． ［８］ Ｌｉ Ｓ Ｚ，Ｈｕａｎｇ Ｗ Ｔ，Ｚｈａｎｇ Ｊ Ｌ，ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，２００９，９４：１１１５０１．
收 稿 日 期 ：２０１１－０７－２８，修 订 日 期 ：２０１１－１０－２６ 基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （１０８０５０１３，５１０７７０３５），教 育 部 重 点 科 技 项 目 （２１００１４），河 北 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （Ａ２００９０００１４９，
３ 结 论
几个厘米的等离子体羽。通过 光 谱 测 量，发 现 等 离 子 体 羽 存 在７７７．５ｎｍ（３ｐ５ Ｐ→３ｓ５ Ｓ）和 ８４４．６ｎｍ（３ｐ３ Ｐ→３ｓ３ Ｓ）的 氧 原 子谱线。这些谱线的出现说明利用等离子 体 针 放 电 装 置 在 大 气压空气中产生了氧原子。通过光谱学方 法 研 究 了 氧 原 子 谱 线强度的空间分布，发现靠近电极处氧原 子 谱 线 强 度 远 大 于 其他位置。通过对等 离 子 体 羽 的 发 光 信 号 的 空 间 分 辨 测 量， 发现靠近电极处发光信号宽度远大于其他位置的发光信号宽 度。从而对氧原子谱线强度的 空 间 分 布 进 行 了 解 释。研 究 结 果对大气压空气等离子体羽在杀菌消毒等领域的应用具有重 要意义。
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ
２ 结 果 和 讨 论
研究发现随着外加电压逐渐增大，放 电 首 先 出 现 在 针 尖 附近，这时放电是交流电晕放 电 模 式。当 外 加 电 压 增 大 到 一 定数值时（９．５ｋＶ），放电长度 突 然 变 大，由 几 个 毫 米 突 然 增 大到几个厘米。放电 发 光 与 等 离 子 体 喷 枪 喷 嘴 处 发 光 类 似， 称 之 为 等 离 子 体 羽 模 式 。图２ 给 出 了 各 种 外 加 电 压 峰 值 （Ｕｐ） 下 放 电 的 照 片 ，其 中 上 面 的 照 片 的 外 加 电 压 为 ６ｋＶ，下 面 的 照片为１０ｋＶ。研 究 发 现 放 电 模 式 转 化 除 了 和 外 加 电 压 有 关，还和放电气体的气压有关。从图２（ｂ）可以看 出 电 晕 放 电 模式和等离子体羽放电模式出现的电压临界值（最小值）均 随 着工作气体气压的增大而变大。