在介質(zhì)阻擋放電裝置中, 使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后, 當(dāng)氣體間隙為3 mm 時, 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(shù)不變的情況下, 放電電流和放電功率隨著外加電壓峰峰值的增大先非常緩慢增加, 然后當(dāng)放電面積鋪滿整個電極后呈線性增加。而放電電流和放電功率隨驅(qū)動頻率的增加呈現(xiàn)出非常明顯的諧振現(xiàn)象, 實驗所得到的最佳匹配頻率和Chen 給出的理論計算結(jié)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(yīng)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)濟又實惠, 但是由于氧氣的負(fù)電性很強, 導(dǎo)致大氣壓空氣中HDBD 等離子體很難穩(wěn)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, 可能實現(xiàn)輝光放電; 而對于不小于5 mm的空氣間隙, 如果不能設(shè)法降低放電場強, 放電必然是流注形式, 不可能實現(xiàn)輝光放電。南開大學(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行了測試和計算, 結(jié)果表明, 只有一少部分的功率用于輝光。而Chen等通過在等離子體反應(yīng)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 實驗中, 所使用的電源通常為中高頻交流電源, 由于電抗性負(fù)載的存在, 電源不能有效地將功率輸送給等離子體反應(yīng)器,當(dāng)在交流電源與等離子體反應(yīng)器之間增加一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)時, 當(dāng)電源將功率向負(fù)載端傳輸時, 可以減弱電抗性負(fù)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(fù)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(yīng)腔之間并聯(lián)LC 匹配網(wǎng)絡(luò), 實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(qū)動頻率的變換情況, 并對最佳匹配頻率的實驗結(jié)果和理論結(jié)果進行對比分析。

　　圖1 給出了獲得常壓均勻HDBD 的實驗裝置示意圖。圖1 中的反應(yīng)器采用鏡面拋光的板-板式電極結(jié)構(gòu)( 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(diào)。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(qū)動頻率。純度為99.999 %的N2氣作為工作氣體。放電時的電壓和電流分別通過Tektronix P2000 型高壓探頭( 帶寬為200 MHz)和Tektronix TCP312 型電流探頭進行測量, 并通過Tektronix TCP A300 型數(shù)字示波器進行采集。大小為16.4 nF 的電容Cs 與反應(yīng)器串連用于采集介質(zhì)板上積累電荷。圖1 中的虛線部分為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò), 包括1 nF 高壓電容C1 和在47~300 pF 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的電容C2 及2.732H 的電感L 。

圖1 實驗裝置示意圖

　　在中頻交流電源和DBD 等離子體反應(yīng)器之間并聯(lián)LC 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后, 當(dāng)氣體間隙為3 mm 時,大氣壓氮氣DBD 從絲狀放電轉(zhuǎn)化為了均勻放電。當(dāng)驅(qū)動頻率和氣體間隙保持不變時, 當(dāng)外加電壓峰峰值小于26 kV 時, 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整個電極; 隨后, 隨著外加電壓峰峰值的繼續(xù)增加, 此時放電電流和放電功率呈線性增加。當(dāng)外加電壓和氣體間隙保持不變時, 放電電流和放電功率隨驅(qū)動頻率的增加呈現(xiàn)出非常明顯的諧振現(xiàn)象, 實驗所得到的最佳匹配頻率和Chen 給出的理論計算結(jié)果存在差異。