俞永波，楊蘭蘭，屠　彥，戶玎嵐

(東南大學電子科學與工程學院，南京，210096)

?

正弦高壓驅動的氬等離子體射流長度和溫度特性的研究*

俞永波，楊蘭蘭*，屠彥，戶玎嵐

(東南大學電子科學與工程學院，南京，210096)

摘要:大氣壓低溫等離子體射流的長度和溫度是射流的兩個重要的參數(shù)，利用10kHz的正弦高壓驅動在大氣環(huán)境中產生了穩(wěn)定的Ar等離子體射流，并對射流的長度特性和溫度特性進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)射流的長度隨著外加電壓的增加而增加，隨著氣流速率的增加先增加，到達一定值后又逐漸減小。利用光纖溫度計和光譜儀測量并計算了射流的宏觀溫度以及電子激發(fā)溫度，發(fā)現(xiàn)射流的宏觀溫度接近室溫，而電子激發(fā)溫度均小于1.5×104K，基本屬于冷等離子體范疇，并且它們均隨著外加電壓的增加而增加。

關鍵詞:等離子體射流;長度;溫度;電子激發(fā)溫度;外加電壓;氣流速率;光譜強度

大氣壓低溫等離子體射流是在電場和氣流共同作用下使放電區(qū)域產生的等離子體從噴管噴出，并在周圍的大氣環(huán)境中形成定向的流動及進一步的放電［1］。近10年來，大氣壓低溫等離子體射流因為獨特的性質已成為一個新興的研究熱點，并且在產生機理和應用發(fā)展等方面均取得了不錯的成果。在等離子體射流產生機理方面，一種被人們較為認可的解釋是Lu和Laroussi等提出的基于光致電離的流光模型［2］。在等離子體射流的應用方面，研究者們也在不斷嘗試新的探索，在材料表面處理［3－4］，生物醫(yī)學［5－6］等方面都表現(xiàn)出良好的應用前景。為了更好的應用等離子體射流技術，還需要更加深入、詳細的研究其基本特性及基本的物理參數(shù);射流的長度和溫度是其中兩個重要的參數(shù)，直接關系到射流能否得到更好、更廣泛的應用。本文利用正弦高壓驅動在大氣環(huán)境下產生了穩(wěn)定的氬等離子體射流，并進一步研究了電壓、氣體流速對射流長度和溫度特性的影響。

1　實驗裝置

等離子體射流的產生裝置和測試裝置如圖1所示，其中高壓電源是南京蘇曼公司生產的低溫等離子體實驗電源(CTP－2000K/P)。純度為99.99%的Ar作為工作氣體，其連接一個浮標氣體流量計控制流速。等離子體射流采用介質阻擋放電方式產生;射流的發(fā)生裝置是一種針加環(huán)的電極結構;一根長為4 cm石英管作為介質阻擋層，石英管外徑4 mm，內徑2 mm;單根銅導線位于石英管內作為高壓針電極，在距離石英管管口4 mm處有一銅環(huán)作為地電極，其通過100 Ω的無感電阻接地。利用數(shù)碼相機(Canon EOS300D)在暗環(huán)境里對等離子體射流的積分圖像進行記錄，曝光時間30 s，光圈5.6，可通過圖像對射流的長度進行研究。外加電壓是通過實驗電源內部的一個電容分壓器(1000:1)輸出到數(shù)字示波器(Agilent DS06034A)中進行測量的，下文中出現(xiàn)的外加電壓值均指電壓的峰－峰值。采用明琉科技生產的光纖溫度計(DHV)對等離子體射流的宏觀溫度進行測量。光譜儀(Ocean Optics Maya 2000)用來測量射流的發(fā)射光譜，其積分時間為6 ms～10 s，實驗中在探頭前面加一個黑色細管，并且使管口直接接觸射流邊緣以提高光譜儀的空間分辨力，通過測量的光譜可以計算射流的電子激發(fā)溫度。

圖1　等離子體射流產生及測試裝置圖

2　實驗結果及討論

2.1Ar等離子體射流的長度特性

大氣壓Ar等離子體射流從外觀上看起來是一條細長的發(fā)光通道，其長度在很大程度上影響和制約射流的應用。在氣流速率為2.31 L/min的條件下，調節(jié)外加電壓，得到了射流的積分圖像如圖2所示;為了進一步研究外加電壓對射流長度的影響，作出了射流長度隨外加電壓的變化曲線如圖3所示。從曲線可以看出射流的長度并不是單純的隨電壓的增加而增加;在電壓較小時，射流長度先是快速增長，隨后增長的速率逐漸放緩，當電壓到達一定值后，射流長度趨于穩(wěn)定;然而繼續(xù)增大電壓時，射流長度又開始增加并且與外加電壓呈線性關系。目前對于等離子體射流傳播機理較為認可的是基于光致電離的流注理論，外加電壓對射流的影響可以歸結為電場對射流的作用，電場越大，流注發(fā)展的越劇烈，傳播的越遠，射流的長度也因此越長。

圖2　不同外加電壓下Ar等離子體射流圖像

圖3　射流長度隨外加電壓的變化曲線

除了外加電壓，氣流速率也是影響等離子體射流長度的一個重要因素［7］。在外加電壓保持不變的條件下改變氣流速率，得到射流的圖像如圖4所示，由圖4可以發(fā)現(xiàn)在不同的氣流速率下，射流的長度有較大的差異。作出射流長度隨氣流速率的變化曲線如圖5所示，等離子體射流的長度隨著氣流速率的增加先增加，到達最大值后再逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。在氣流速率較小時，射流較細，隨著氣流速率的增加，射流的直徑也有所增加。氣體流速對等離子體射流長度的影響，主要是因為隨著流速的增加，氣體的狀態(tài)要發(fā)生變化。當流速很小時，處于層流狀態(tài)，氣體內部分層流動且每層互不混合;逐漸增加流速，氣體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此時為過渡流狀態(tài);繼續(xù)增大流速，氣體將會進入湍流狀態(tài)，此時流線不再清楚可辨，并且內部會出現(xiàn)很多小渦流。層流、湍流的區(qū)分在理論上可以用雷諾數(shù)來判斷［8］。雷諾數(shù)Re定義為:

式中:Q為氣流速率，m3/s; D為石英管內徑，m; v為運動粘度，在實驗條件下v取1.3×10－5，m2/s; A為氣流的橫截面積，m2。當Re＜2 000時，氣流狀態(tài)為層流;當Re為2 000～3 000時為過渡流狀態(tài);當Re＞3 000時，氣流狀態(tài)為湍流［9］。由曲線可得在層流階段，射流的長度隨著氣流速率的增加而增加，而到了湍流階段，氬氣出現(xiàn)擺動，使得射流前端氬氣含量減少，空氣含量增加，由于空氣比氬氣難電離，導致射流的長度逐漸變短。因此，流速和電壓一樣對射流的長度影響很大，兩者共同作用，通過對氣體流場和空間電場的改變來影響射流的長度。

圖4　不同氣流速率下的射流圖片

圖5　射流長度隨氣流速率的變化曲線

2.2Ar等離子體射流的溫度特性

等離子體射流的溫度是指射流的宏觀溫度，在實際應用中為了避免對溫度敏感材料以及人體、細胞等造成傷害，需要較低溫度的等離子體射流。本實驗利用光纖溫度計，在環(huán)境溫度為15℃的條件下對產生的Ar等離子體射流進行了溫度測量，得到射流溫度隨外加電壓的變化曲線如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)射流的溫度隨著外加電壓的增加而增加，并且當外加電壓達到7 kV左右后射流的溫度上升的較快，但是射流溫度整體依然較低。實驗中利用光纖溫度計測量的等離子體射流的溫度與文獻中［10］利用光譜擬合所得到的射流溫度相比要低一些，這可能是因為利用光譜擬合法計算出來的溫度是射流發(fā)光時刻的溫度［11］，而光纖溫度計測量的是一段時間內射流溫度的平均值，在這段時間里，射流會向周圍空氣傳遞能量，導致溫度降低，因而受環(huán)境溫度的影響較大。

圖6　等離子體射流的溫度隨電壓的變化曲線

電子溫度也是等離子體物理特性中的一個重要參數(shù)，冷等離子體射流的電子溫度一般在103K～104K;在等離子體射流中，電子激發(fā)是電子能量損失的主要途徑，電子激發(fā)溫度略低于電子溫度，因而可以用電子激發(fā)溫度來估算電子溫度。在等離子體射流中，存在各種粒子的頻繁碰撞，在局部熱平衡條件下處于各能級的粒子數(shù)遵循波爾茲曼分布:

式中:n、g、E分別表示相應能級上的粒子數(shù)，該能級上的統(tǒng)計權重以及相應能級的激發(fā)能，k是波爾茲曼常數(shù)，Texc即為電子的激發(fā)溫度;同時譜線強度I和處于上能級的粒子數(shù)密度n成正比，和躍遷幾率A及光子能量hv成正比，它們之間的關系［12］:

式中:l是測量方向上等離子體的厚度。由式(2)～式(3)可得對于同種原子或離子的兩條譜線滿足如下關系:

譜線對應的g，A和E參數(shù)值則由NIST數(shù)據(jù)庫獲得。因為光譜儀對不同波長的量子效率是不同的，為了盡量減少誤差，選取了Ar(4p→4s)的2條相近并且能級相差較大的譜線，其相關參數(shù)如表1所示，由式(5)即可求得電子的激發(fā)溫度，得到電子激發(fā)溫度隨電壓的變化曲線如圖7所示。

所以電子激發(fā)溫度為:

表1　Ar的2條譜線及其相關參數(shù)

圖7　電子的激發(fā)溫度隨著電壓的變化曲線

Ar等離子體射流中電子的激發(fā)溫度隨著電壓的增大而增大;這是由于電壓增大，放電功率增大，進而產生更多的高能電子，使處于高能級的粒子數(shù)分布增大，導致激發(fā)溫度的提高。計算得到的電子溫度小于1.5×104K，基本屬于冷等離子體射流范疇。這種相對強度法計算電子的激發(fā)溫度，所得到的結果與選取的譜線有關，精度不高，但是可以用來估算電子溫度范圍以及了解其隨電壓變化的趨勢。

3　總結

大氣壓低溫等離子體射流是近年來的一個研究熱點，具有廣泛的應用前景;通過本文的研究發(fā)現(xiàn):外加電壓和氣流速率是影響等離子體射流長度的兩個重要的因素，射流的長度隨著外加電壓的增大而增長，隨著氣流速率的增大先增大，到達一定值后再逐漸減小。在對等離子體射流的溫度研究中發(fā)現(xiàn)，其宏觀溫度接近于室溫，并且隨著外加電壓的增加而增加，同時電子激發(fā)溫度也隨電壓的增加而增加。通過本文的研究可以為等離子體射流的應用提供一定的基礎依據(jù)，但是射流的產生機制以及部分應用原理還沒有完全清楚，低溫等離子體射流要想得到廣泛的實際應用，還需要對其做更深一步的研究。

參考文獻:

［1］王瓊芳.大氣壓氬非平衡等離子體射流特性的實驗研究［D］.華中科技大學，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，F(xiàn)riedman 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］張冠軍，詹江楊，邵先軍，等.大氣壓氬氣等離子體射流長度的影響因素［J］.高電壓技術，2011，37(6):1432－1438.

［10］李雪晨，袁寧，賈鵬英，等.發(fā)射光譜研究大氣壓等離子體射流的氣體溫度［J］.光譜學與光譜分析，2010，30(11):2894－2896.

［11］賈鵬英，李雪辰，袁寧.大氣壓冷等離子體噴槍氣體溫度的比較研究［J］.光譜學與光譜分析，2011，31(8):2032－2035.

［12］嚴建華，潘新潮，馬增益，等.直流氬等離子體射流電子溫度的測量［J］.光譜學與光譜分析，2008，28(1):6－9.

俞永波(1991－)，男，漢族，東南大學電子科學與工程學院，碩士研究生，yongboyu0815@163.com;

楊蘭蘭(1978－)，女，漢族，東南大學電子科學與工程學院，副教授，研究方向為物理電子學，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

中圖分類號:O539; TM89

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0730－04

項目來源:江蘇省自然科學基金項目(BK2012737);國家自然科學基金項目(61271053，50907009);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2242011R30018)