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通过测量大气压介质阻挡放电等离子体辐射信号,建立偶极子辐射模型,利用快速傅立叶变换,计算了大气压介质阻挡放电等离子体中离子速度分布。计算结果表明,速度分布偏离麦克斯韦分布,并且随着放电过程的进行,离子速度及相对离子数进行有规律的变化。     

介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研究

通过数值求解一维电子、离子连续性方程和动量方程，以及电流连续性方程，计算了氦气介 质阻挡大气压辉光放电电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布，以及放电电流密度和 绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化. 分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均 匀大气压辉光放电性质的影响. 当外加电压频率足够高时，大量离子被俘获在放电空间，空 间电荷场又引起足够多的电子滞留在放电空间. 这些种子电子使得在大气压下发生汤森放电 ，放电空间结构类似于低气压辉光放电，即存在明显的阴极位降区、负辉区、法拉第暗区和 等离子体正柱 关键词： 大气压辉光放电 介质阻挡 数值模拟 等离子体     

光谱法诊断大气压等离子体电子密度

采用发射光谱方法对大气压氩气介质阻挡放电(DBD)系统中的电子密度进行了诊断。通过考虑放电等离子体中的各种加宽机制, 采用自编的非对称卷积程序对氩原子发射谱线的线型进行分析拟合, 再通过反卷积的方法将各种加宽机制分离开来, 最终将Stark展宽分离出来进行大气压氩气介质阻挡放电电子密度的计算。诊断结果表明, 在大气压氩气介质阻挡放电中当有三个放电丝存在, 电子温度为10000 K时, 电子密度约为4.06×1021 m-3, 诊断结果和模拟结果符合得很好。此方法不仅可以应用在大气压介质阻挡放电中, 还可以用于其他含有非氢气体的大气压等离子体电子密度的测量。     

离子液体对氩气介质阻挡放电光谱的影响

采用自行设计的介质阻挡放电反应器,以氩气和离子液体为放电介质,实现大气压下稳定的气(等离子体)-液(离子液体)等离子体放电,并运用光谱法在线诊断氩等离子体光谱。考察了不同咪唑基离子液体以及放电参数对大气压氩气介质阻挡放电光谱的影响。结果表明,离子液体的引入降低了氩气放电光谱的强度,谱峰强度与离子液体阳离子咪唑环上的碳链长度有关,且随碳链长度增加,谱峰强度降低;同时阴离子结构对称性低的离子液体,谱峰强度较低。加入离子液体后氩谱随放电电压及放电频率变化均呈现峰值变化。     

大气压氩气介质阻挡辉光放电的一维仿真研究

为了研究氩气(Ar)中介质阻挡大气压辉光放电(APGD)的放电机理, 通过建立一个一维的多粒子自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及电子、离子、亚稳态粒子密度和空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明：介质表面积聚的电荷对于放电的过程的起始及熄灭具有重要作用;当增大外施电压时, 放电击穿时刻提前, 放电电流密度和介质表面电荷密度峰值增大, 表明放电过程更加剧烈;随着阻挡介质相对介电常数的增大, 放电电流密度也随之增大. 各粒子密度及电场的时空分布表明放电过程在外施电压半个周期中只有一次放电, 且存在明显的阴极位降区、负辉区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 为大气压辉光放电(APGD).     

电容耦合分区放电等离子体的研究

介绍了一种新的大气压下空气中等离子体产生方法─── 电容耦合分区放电。该方法综合了电晕放电和介质阻挡放电的优点,在大气压下可以生成大规模、高密度、均匀稳定的非平衡等离子体。其放电功率可达常规介质阻挡放电100倍以上,且可根据需要灵活调整。     

仪器展宽对大气压等离子体电子密度测量的影响

实验使用两台不同的单色仪,采用光谱线型法测量了大气压氩气介质阻挡放电中的电子密度.诊断结果表明,由于不同的单色仪其仪器加宽不同,仪器加宽对总的光谱线型有较大影响.通过考虑等离子体中的各种加宽机制,采用卷积和反卷积的方法对氩原子发射谱线线型进行了分析,从整个光谱线型中分离出Stark线型,排除了仪器加宽对最终诊断结果的影响.从而最终测量了大气压氩气介质阻挡放电中的电子密度.测量得到在大气压氩气介质阻挡放电中单个放电丝存在时,电子温度为10000K时,电子密度约为3.05-3.26×1021 m-3.此方法不仅可以应用在大气压介质阻挡放电中,还可以用于测量其它大气压等离子体电子密度.     

使用斯塔克展宽计算大气压射频介质阻挡放电氮气等离子体的电子密度

大气压射频等离子体是近几年发展起来的一种新型非平衡等离子体。以氮气掺杂少量氩气为放电气体,实现了大气压射频介质阻挡放电。利用发射光谱对放电进行在线诊断研究,并分析谱线线型,从中分离出谱线的Stark线型,从而计算出放电通道的电子密度。研究了单个放电通道中电子密度的空间分布并测量了通道同一位置的电子密度随放电输入功率的变化。结果显示,在放电通道中部,当放电输入功率由138W增加至248W,电子密度由4.038×1021 m-3升高至4.75×1021 m-3。     

大气压介质阻挡辉光放电中放电电流的测量与分析

介质阻挡放电产生的低温等离子体具有广泛的应用前景而成为研究热点。文章利用平行平板介质阻挡放电装置,在流动的氦气中实现了大气压均匀辉光放电,得到了大气压下的均匀等离子体。利用电学方法将放电电流从总电流中分离出来,从而得到了辉光放电的放电电流。通过分析放电电流、外加电压、气隙上电压以及壁电荷电量之间的相互关系,可以研究气体放电过程中壁电荷积累的微观动力学行为。实验结果表明壁电荷主要是在放电电流脉冲持续期间积累的,但电流脉冲结束后,由于气隙电压没有改变极性,壁电荷还会逐渐积累,气隙电压改变极性后,壁电荷量随时间减小。这些结果对壁电荷在介质阻挡辉光放电中作用的深入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义。     

正弦削波电压调控大气压氦气非平滑表面介质阻挡放电均匀性的仿真研究

在大气压介质阻挡放电的实际应用中,等离子体通常作用于非平滑表面.其表面形貌导致的电场畸变和表面电荷分布不均匀,会对放电的均匀稳定产生不利影响.建立了下介质板为波浪状的大气压氦气介质阻挡放电仿真模型,并采用正弦削波电压对放电均匀性进行调控.结果表明:相比于未削波情况下,放电均匀性提高,介质阻挡放电从柱状放电模式转换为准均匀放电模式.这可以归因于气隙电压降低而产生的不完全放电消散;随后的电子回流过程使残余空间电子与表面电荷中和,限制了表面电荷积累.随着削波比例增加,表面电荷分布更为均匀,进而导致电场分布在径向上波动减弱.此外,在一定削波范围内放电效率也有所提高.本研究揭示了削波电压对非平滑表面介质阻挡放电的影响机理,为介质阻挡放电均匀性调控提供了新的思路.     

Energy distribution of ions in plasma formed by laser ablation of metallic Nb and Ta targets

The laser plasma plume expansion induced by UV nanosecond irradiation from metallic Nb and Ta targets has been studied using Langmuir probe time-of-flight measurements. The ion current shape was measured as a function of the laser radiation flux at various probe-to-target distances. The ion velocity distribution and the ion energy spectra have been determined by measuring the time of flight of ions reaching the Langmuir probe. A multi-mode velocity distribution of ions has been revealed. The dependence of the amplitudes of the plume energy components on the plume scatter time and on the laser radiation flux has been investigated. The experimental time-of-flight data have been compared with a Maxwell velocity distribution. The threshold values of the laser intensity were determined for different distribution modes in the ion energy spectrum.     

Evolution of the ion velocity distribution after sudden turn-on of a periodic electric field: A charge exchange model

An analytical solution to the problem of the ion velocity distribution evolution after turn-on of a periodic electric field is derived. The solution is constructed for the case of resonance charge exchange at a constant collision frequency (charge exchange model). The specific features of the transient process at the early stage of evolution are revealed. The phase shift between the applied field and the ion current at the periodic stage of the process is analyzed. The distribution function exhibits abrupt steps propagating in the velocity space. A method is proposed to study the ion-atom interaction cross section using a periodic electric field. The method is based on analysis of the current toward the electrode with a retarding potential.     

Geschwindigkeitsverteilung anisotroper Deuteriumplasmen aus zeitaufgelösten Neutronenspektren

The ion energy in hot deuterium plasmas can be determined by using the Doppler broadening of thed-d-neutron line at 2.45 MeV. A method allowing time resolved measurement of neutron spectra in pulsed discharges is described. It utilizes the known energy dependence of the total neutron cross section of light to medium weight nuclei for energy selection of the neutrons. The neutrons are detected with plastic scintillators which afford both a high detection efficiency and a time resolution in the nanosecond range. The method is applied to a theta pinch for investigating the anisotropy and relaxation of the deuteron velocity distribution. It is shown that, in particular, the ion energy parallel to the magnetic field can readily be measured even at the low neutron yield available at present. Suitable combination of this procedure with known diagnostic methods allows deviation of the velocity distribution from the isotropic Maxwell distribution to be determined with sufficient accuracy. Comparison of the experimental relaxation rate with the theoretical predicted collision relaxation shows that Coulomb collisions are not a sufficient explanation. The short wave-length mirror instabilities also observed probably make a major contribution to the relaxation of the anisotropic velocity distribution.     

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建立了包含两种正离子的碰撞等离子体鞘层的流体模型,通过四阶龙格-库塔法模拟了碰撞对含有两种正离子的等离子体鞘层中的离子密度和速度分布产生的影响。结果表明,对于两种正离子的等离子体来说,鞘层中无论哪种离子与中性粒子碰撞频率的增加,该种离子的密度和速度分布都将呈现波动变化,密度是先增加后降低,速度是先降低后增加;而另一种离子的密度和速度呈单调变化。鞘边正离子的含量越少,受自身与中性粒子的碰撞频率增加,鞘层中该种离子密度先增加后降低的变化位置就越远离等离子体的鞘层边界。同时发现该种离子密度分布受自身碰撞频率增加,降低的幅度变化非常小。另外发现电子碰撞器壁产生的二次电子发射系数对质量较轻的离子影响要大一些。     

离子原子碰撞过程中反冲离子飞行时间谱的蒙特卡罗模拟研究

基于蒙特卡罗方法,建立了程序模拟离子与原子碰撞中的反冲离子飞行时间谱.模拟入射离子束的空间密度分布,原子束密度的空间分布,靶原子的初速度分布, 根据反应几率产生不同电荷态反冲离子,并求出反冲离子飞行时间后,对每次模拟事件根据飞行时间进行累计,就得到反冲离子的飞行时间谱.模拟结果与实验(Ar12+-Ar) 测量到的TOF谱进行了分析比较,并进行了定性讨论     

Research on the ionospheric ion velocity distribution and the incoherent scattering spectra of the radar with the 16-moments approximation for the relaxation collision model

The distribution function which given by Grad cannot be used to describe the ionospheric ion velocity distribution due to the larger anisotropic temperature appears in the high-latitude ionosphere. In this article, based on the Boltzmann equation, the relaxation collision model (RCM) was used to substitute the Boltzmann collision integration, and a non-Maxwell ion velocity distribution function with the 16-moments approximation for the bi-Maxwell distribution was given, and the ion transport equation with the 16-moments approximation was also derived and solved. Moreover, the ion velocity distribution, the solution of transport equation and the incoherent scattering spectra with the 13-moments and 16-moments approximation for the relaxation collision model were simulated, analyzed and compared. The research shows that compared with the 13-moments approximation, the 16-moments approximation with the bi-Maxwell distribution is more suitable to describe the characteristics of the anisotropic temperature ion distribution in the high-latitude ionosphere.     

Die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen in der Freifallsäule

The velocity distribution of the ions in the positive column of the free-fall type discharge is derived by means of the method of characteristics from collisionless Boltzmann equation extended by a source term in plane and cylindrical geometries. A homogeneous axial magnetic field and the initial distribution of ion velocities is taken into account. The formula of Tonks and Langmuir for ion density is reproduced in case of vanishing initial velocity of the ions and vanishing magnetic field.     

基于双向偏振态激光诱导荧光方法的离子速度分布函数测量

为了评估利用发散磁场构型双电层效应的紧凑式螺旋波等离子体推力器的离子加速效果,探索了一种双向偏振态激光诱导荧光测量方法来对螺旋波等离子体源近出口端的离子速度分布函数进行测量。实验中采用Ar作为螺旋波等离子体源工质,中心波长为611.662 nm的激光以轴向方式注入等离子体,以激励一价Ar离子获得波长为461.086 nm的诱导荧光光谱。为了消除磁化等离子体中逆塞曼效应对激光诱导荧光光谱带来的分裂影响,通过四分之一波片将入射激光分别调制为左旋和右旋圆偏振态,并对其诱导光谱进行了分别测量,结果发现不同磁场强度下两次测量结果的偏移值与理论高度吻合,证明了双向偏振态激光诱导荧光测量方法的理论可行性。进一步,采用高斯型滤波器反卷积算法从测量光谱中去除自然展宽和能量饱和效应,再通过对两次相反偏振态测量结果进行平移处理消除逆塞曼效应,从而分离得到实际的多普勒效应。测量了射频能量600 W,不同轴向位置、磁场大小以及气体压力下的螺旋波Ar等离子体激光诱导荧光光谱,结果表明在该实验条件下离子并没有因双电层效应而达到期望值的加速效果,离子速度的形成可能只是一种磁约束作用下的双极电场所导致,并不能产生好的推力性能。     

Ultra-High-Resolution Fluorescence Spectroscopy Upon Excitation of Atoms by Pulsed Radiation in Thin Gas Cells

Journal of Applied Spectroscopy - The method of sub-Doppler fluorescence spectroscopy is proposed and is based on the narrowing behavior with time of the velocity distribution of optically excited...