正弦高压驱动的氩等离子体射流长度和温度特性的研究*

俞永波，杨兰兰，屠　彦，户玎岚

(东南大学电子科学与工程学院，南京，210096)



正弦高压驱动的氩等离子体射流长度和温度特性的研究*

俞永波，杨兰兰*，屠彦，户玎岚

(东南大学电子科学与工程学院，南京，210096)

摘要:大气压低温等离子体射流的长度和温度是射流的两个重要的参数，利用10kHz的正弦高压驱动在大气环境中产生了稳定的Ar等离子体射流，并对射流的长度特性和温度特性进行了研究。研究发现射流的长度随着外加电压的增加而增加，随着气流速率的增加先增加，到达一定值后又逐渐减小。利用光纤温度计和光谱仪测量并计算了射流的宏观温度以及电子激发温度，发现射流的宏观温度接近室温，而电子激发温度均小于1.5×104K，基本属于冷等离子体范畴，并且它们均随着外加电压的增加而增加。

关键词:等离子体射流;长度;温度;电子激发温度;外加电压;气流速率;光谱强度

大气压低温等离子体射流是在电场和气流共同作用下使放电区域产生的等离子体从喷管喷出，并在周围的大气环境中形成定向的流动及进一步的放电［1］。近10年来，大气压低温等离子体射流因为独特的性质已成为一个新兴的研究热点，并且在产生机理和应用发展等方面均取得了不错的成果。在等离子体射流产生机理方面，一种被人们较为认可的解释是Lu和Laroussi等提出的基于光致电离的流光模型［2］。在等离子体射流的应用方面，研究者们也在不断尝试新的探索，在材料表面处理［3－4］，生物医学［5－6］等方面都表现出良好的应用前景。为了更好的应用等离子体射流技术，还需要更加深入、详细的研究其基本特性及基本的物理参数;射流的长度和温度是其中两个重要的参数，直接关系到射流能否得到更好、更广泛的应用。本文利用正弦高压驱动在大气环境下产生了稳定的氩等离子体射流，并进一步研究了电压、气体流速对射流长度和温度特性的影响。

1　实验装置

等离子体射流的产生装置和测试装置如图1所示，其中高压电源是南京苏曼公司生产的低温等离子体实验电源(CTP－2000K/P)。纯度为99.99%的Ar作为工作气体，其连接一个浮标气体流量计控制流速。等离子体射流采用介质阻挡放电方式产生;射流的发生装置是一种针加环的电极结构;一根长为4 cm石英管作为介质阻挡层，石英管外径4 mm，内径2 mm;单根铜导线位于石英管内作为高压针电极，在距离石英管管口4 mm处有一铜环作为地电极，其通过100 Ω的无感电阻接地。利用数码相机(Canon EOS300D)在暗环境里对等离子体射流的积分图像进行记录，曝光时间30 s，光圈5.6，可通过图像对射流的长度进行研究。外加电压是通过实验电源内部的一个电容分压器(1000:1)输出到数字示波器(Agilent DS06034A)中进行测量的，下文中出现的外加电压值均指电压的峰－峰值。采用明琉科技生产的光纤温度计(DHV)对等离子体射流的宏观温度进行测量。光谱仪(Ocean Optics Maya 2000)用来测量射流的发射光谱，其积分时间为6 ms～10 s，实验中在探头前面加一个黑色细管，并且使管口直接接触射流边缘以提高光谱仪的空间分辨力，通过测量的光谱可以计算射流的电子激发温度。

图1　等离子体射流产生及测试装置图

2　实验结果及讨论

2.1Ar等离子体射流的长度特性

大气压Ar等离子体射流从外观上看起来是一条细长的发光通道，其长度在很大程度上影响和制约射流的应用。在气流速率为2.31 L/min的条件下，调节外加电压，得到了射流的积分图像如图2所示;为了进一步研究外加电压对射流长度的影响，作出了射流长度随外加电压的变化曲线如图3所示。从曲线可以看出射流的长度并不是单纯的随电压的增加而增加;在电压较小时，射流长度先是快速增长，随后增长的速率逐渐放缓，当电压到达一定值后，射流长度趋于稳定;然而继续增大电压时，射流长度又开始增加并且与外加电压呈线性关系。目前对于等离子体射流传播机理较为认可的是基于光致电离的流注理论，外加电压对射流的影响可以归结为电场对射流的作用，电场越大，流注发展的越剧烈，传播的越远，射流的长度也因此越长。

图2　不同外加电压下Ar等离子体射流图像

图3　射流长度随外加电压的变化曲线

除了外加电压，气流速率也是影响等离子体射流长度的一个重要因素［7］。在外加电压保持不变的条件下改变气流速率，得到射流的图像如图4所示，由图4可以发现在不同的气流速率下，射流的长度有较大的差异。作出射流长度随气流速率的变化曲线如图5所示，等离子体射流的长度随着气流速率的增加先增加，到达最大值后再逐渐减小，最后趋于稳定。在气流速率较小时，射流较细，随着气流速率的增加，射流的直径也有所增加。气体流速对等离子体射流长度的影响，主要是因为随着流速的增加，气体的状态要发生变化。当流速很小时，处于层流状态，气体内部分层流动且每层互不混合;逐渐增加流速，气体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此时为过渡流状态;继续增大流速，气体将会进入湍流状态，此时流线不再清楚可辨，并且内部会出现很多小涡流。层流、湍流的区分在理论上可以用雷诺数来判断［8］。雷诺数Re定义为:

式中:Q为气流速率，m3/s; D为石英管内径，m; v为运动粘度，在实验条件下v取1.3×10－5，m2/s; A为气流的横截面积，m2。当Re＜2 000时，气流状态为层流;当Re为2 000～3 000时为过渡流状态;当Re＞3 000时，气流状态为湍流［9］。由曲线可得在层流阶段，射流的长度随着气流速率的增加而增加，而到了湍流阶段，氩气出现摆动，使得射流前端氩气含量减少，空气含量增加，由于空气比氩气难电离，导致射流的长度逐渐变短。因此，流速和电压一样对射流的长度影响很大，两者共同作用，通过对气体流场和空间电场的改变来影响射流的长度。

图4　不同气流速率下的射流图片

图5　射流长度随气流速率的变化曲线

2.2Ar等离子体射流的温度特性

等离子体射流的温度是指射流的宏观温度，在实际应用中为了避免对温度敏感材料以及人体、细胞等造成伤害，需要较低温度的等离子体射流。本实验利用光纤温度计，在环境温度为15℃的条件下对产生的Ar等离子体射流进行了温度测量，得到射流温度随外加电压的变化曲线如图6所示。可以发现射流的温度随着外加电压的增加而增加，并且当外加电压达到7 kV左右后射流的温度上升的较快，但是射流温度整体依然较低。实验中利用光纤温度计测量的等离子体射流的温度与文献中［10］利用光谱拟合所得到的射流温度相比要低一些，这可能是因为利用光谱拟合法计算出来的温度是射流发光时刻的温度［11］，而光纤温度计测量的是一段时间内射流温度的平均值，在这段时间里，射流会向周围空气传递能量，导致温度降低，因而受环境温度的影响较大。

图6　等离子体射流的温度随电压的变化曲线

电子温度也是等离子体物理特性中的一个重要参数，冷等离子体射流的电子温度一般在103K～104K;在等离子体射流中，电子激发是电子能量损失的主要途径，电子激发温度略低于电子温度，因而可以用电子激发温度来估算电子温度。在等离子体射流中，存在各种粒子的频繁碰撞，在局部热平衡条件下处于各能级的粒子数遵循波尔兹曼分布:

式中:n、g、E分别表示相应能级上的粒子数，该能级上的统计权重以及相应能级的激发能，k是波尔兹曼常数，Texc即为电子的激发温度;同时谱线强度I和处于上能级的粒子数密度n成正比，和跃迁几率A及光子能量hv成正比，它们之间的关系［12］:

式中:l是测量方向上等离子体的厚度。由式(2)～式(3)可得对于同种原子或离子的两条谱线满足如下关系:

谱线对应的g，A和E参数值则由NIST数据库获得。因为光谱仪对不同波长的量子效率是不同的，为了尽量减少误差，选取了Ar(4p→4s)的2条相近并且能级相差较大的谱线，其相关参数如表1所示，由式(5)即可求得电子的激发温度，得到电子激发温度随电压的变化曲线如图7所示。

所以电子激发温度为:

表1　Ar的2条谱线及其相关参数

图7　电子的激发温度随着电压的变化曲线

Ar等离子体射流中电子的激发温度随着电压的增大而增大;这是由于电压增大，放电功率增大，进而产生更多的高能电子，使处于高能级的粒子数分布增大，导致激发温度的提高。计算得到的电子温度小于1.5×104K，基本属于冷等离子体射流范畴。这种相对强度法计算电子的激发温度，所得到的结果与选取的谱线有关，精度不高，但是可以用来估算电子温度范围以及了解其随电压变化的趋势。

3　总结

大气压低温等离子体射流是近年来的一个研究热点，具有广泛的应用前景;通过本文的研究发现:外加电压和气流速率是影响等离子体射流长度的两个重要的因素，射流的长度随着外加电压的增大而增长，随着气流速率的增大先增大，到达一定值后再逐渐减小。在对等离子体射流的温度研究中发现，其宏观温度接近于室温，并且随着外加电压的增加而增加，同时电子激发温度也随电压的增加而增加。通过本文的研究可以为等离子体射流的应用提供一定的基础依据，但是射流的产生机制以及部分应用原理还没有完全清楚，低温等离子体射流要想得到广泛的实际应用，还需要对其做更深一步的研究。

参考文献:

［1］王琼芳.大气压氩非平衡等离子体射流特性的实验研究［D］.华中科技大学，2012.

［2］Lu X，Laroussi M.Dynamics of an Atmospheric Pressure Plasma Plume Generated by Submicrosecond Voltage Pulses［J］.Journal of Applied Physics，2006，100(6):63302.

［3］Kogelschatz U.Dielectric-Barrier Discharges:Their History，Discharge Physics，and Industrial Applications［J］.Plasma Chemistry and Plasma Processing，2003，23(1):1－46.

［4］Pappas D.Status and Potential of Atmospheric Plasma Processing of Materials［J］.Journal of Vacuum Science and Technology A，2011，29(2):1－15.

［5］Kolb J F，Mohamaed A A H，Price R O.Cold Atmospheric Pressure Air Plasma Jet for Medical Applications［J］.Applied Physics Letters，2008，92(241501):1－3.

［6］Fridman C，Friedman G，Gutsol A，et al.Applied Plasma Medicine ［J］.Plsma Processes and Polymers，2008(5):503－533.

［7］Wu S，Wang Z，Huang Q，et al.Atmospheric-Pressure Plasma Jet:Effect of Gas Flow，Active Species，and Snake-Like Bullet Propagation［J］.Physics of Plasma，2013，20:023503.

［8］Shao Xianjun，Zhang Guanjun，Zhan Jiangyang，et al.Investigation on Spurt Length of Atmospheric-Pressure Plasma Jets［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，39(11):2340－2341.

［9］张冠军，詹江杨，邵先军，等.大气压氩气等离子体射流长度的影响因素［J］.高电压技术，2011，37(6):1432－1438.

［10］李雪晨，袁宁，贾鹏英，等.发射光谱研究大气压等离子体射流的气体温度［J］.光谱学与光谱分析，2010，30(11):2894－2896.

［11］贾鹏英，李雪辰，袁宁.大气压冷等离子体喷枪气体温度的比较研究［J］.光谱学与光谱分析，2011，31(8):2032－2035.

［12］严建华，潘新潮，马增益，等.直流氩等离子体射流电子温度的测量［J］.光谱学与光谱分析，2008，28(1):6－9.

俞永波(1991－)，男，汉族，东南大学电子科学与工程学院，硕士研究生，yongboyu0815@163.com;

杨兰兰(1978－)，女，汉族，东南大学电子科学与工程学院，副教授，研究方向为物理电子学，jujube_yang@seu.edu.cn。

Thermal Characteristic Calibration and Optimization of TO－220 Package Power Device Based on ANSYS Software*

WANG Jianfeng，LIU Siyang，SUN Weifeng*
(National ASIC System Engineering Technology Research Center，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:The ANSYS software is used to establish the 3D model of the TO－220 package power device and calibrate the model.The calibration process is to study the effects upon the model accuracy from the presence or absence of PCB，the thickness of the heat source and the presence or absence of lead.Based on the calibrated model，the effects upon the heat dissipation from the area of the adhesive layer，the position of the chip relative to the substrate and the base area have been also investigated.The results show that the size of the solder layer basically has no influence on the heat dissipation，the chip die attach process should try to place the chip in the middle and down position，moreover，the larger the area of the substrate，the better the dissipation effect will be.

Key words:TO－220 package; ANSYS; power device; calibration; optimization

doi:EEACC:0170J10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.003

收稿日期:2014－09－11修改日期:2014－10－10

中图分类号:O539; TM89

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0730－04

项目来源:江苏省自然科学基金项目(BK2012737);国家自然科学基金项目(61271053，50907009);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2242011R30018)