直流激励等离子体喷枪的发光特性研究

利用针-板喷枪装置,在直流电压激励下产生了大气压非平衡态低温等离子体羽。采用光学方法,研究发现等离子体羽的放电模式为脉冲放电。通过比较放电的总发光信号、337.1 nm谱线的发光信号与电流信号,发现电流信号脉冲宽度最大,337.1 nm谱线的信号脉冲宽度最小。通过对发光信号频率随电压的变化关系进行研究,发现放电脉冲频率随电压的增大而增大。利用光谱仪测量了337.1 nm的谱线强度,发现它随气流增大减小,随电压增大表现为先增大后减小。利用气体放电理论,对以上物理现象进行了定性解释。这些研究结果对于大气压非平衡态低温等离子体羽的产生和应用都具有重要意义。     

脉冲放电等离子体光谱干扰机制及其修正方法研究

为解决脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱(PF-SIBS)中钨电极激发引起的谱线干扰问题,研究了基于等离子体信号探测优化的谱线干扰修正方法。搭建PF-SIBS测量实验系统,以化学纯石墨的颗粒流为研究对象,根据电极间等离子体产生和消亡过程、各特征谱线在等离子体内的分布情况以及各特征谱线信号强度在电极间的变化规律,解析了放电等离子体内各特征元素蒸发、解离和激发的过程,并据此优化光谱探测位置以减弱谱线干扰。研究结果表明：电子在阴极斑点生成,向阳极发射的过程中与电极金属、石墨颗粒流和电极间空气介质发生碰撞电离,产生更多的电子发射,从而形成并维持从阴极向阳极的放电通道。在阴极区域,高能电场产生的焦耳热促使阴极尖端钨金属蒸发溅射,膨胀产生的冲击使得颗粒和空气被排出阴极区域,钨金属的原子及电子占据在阴极区域;在放电通道中部,电子与密集的石墨颗粒流发生碰撞电离;在阳极区域,剩余的放电能量难以蒸发阳极金属,电子主要电离空气介质。可将阴极到阳极的区域划分为阴极金属激发区、中部颗粒激发区和阳极空气激发区。被电离的电极金属、石墨颗粒、空气介质的离子和中性原子占据各自的激发区域,形成等离子体并辐射出对应的特征谱线...     

沿面型介质阻挡放电喷枪的发光特性及气体温度研究

利用氩气作为工作气体,采用正弦电压驱动沿面型等离子体喷枪,在大气压空气环境中产生了均匀的等离子体羽。电学和光学测量结果表明,等离子体羽放电只存在于外加峰值电压的正半周期,并且正半周期的放电脉冲个数随气体流量的增加而增加。通过对正半周期不同位置的发光脉冲信号进行比较,发现等离子体羽均按子弹形式传播,其中每一个发光脉冲均对应一次等离子体子弹传播过程。通过对比放电电流和等离子体羽的发光信号,发现等离子体羽的发光脉冲滞后于放电电流脉冲,且该延迟时间基本服从正态分布。该延迟时间随着外加电压峰值及气体流量的增大而减小。利用光纤测温仪测量了等离子体羽的气体温度,发现气体温度随外加峰值电压的增大而升高,随工作气体流量的增大而降低。通过分析放电过程,对上述现象进行了定性解释。     

单针电极放电的发光特性

采用单针电极放电装置在氩气中产生了稳定的均匀等离子体。利用光学方法对单针放电特性进行了研究,结果表明单针放电等离子体的长度随外加电压峰值、气压的增大而增大,随空气含量的增大而减小。利用光电倍增管对单针电极放电等离子体羽的发光信号进行了空间分辨测量,发现靠近单针电极的羽头和等离子体羽其余部分放电行为不同。其中羽头源于针尖附近的电晕放电,它仅在外加电压负半周期的发光较强,正半周期发光几乎探测不到。而等离子体羽其余部分的放电在外加电压正、负半周期均存在,且正半周期强于负半周期。研究表明,外加电压正半周期的等离子体羽是源于发光光层(等离子体子弹)的传播,而负半周期等离子体羽的不同位置几乎同时放电。     

等离子体羽中氧原子的光谱强度分布

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。     

大气压空气等离子体羽的振动温度研究

利用三电极介质阻挡放电装置,在大气压空气中产生了较大体积的等离子体羽。采用光学方法对该等离子体羽的特性进行了研究。发现随着外加电压峰值增加,每个外加电压周期的放电脉冲个数增加。通过采集等离子体羽的发射光谱,空间分辨地研究了放电等离子体羽的振动温度。结果表明等离子体羽的振动温度随着外加电压峰值的增加而减小;随着远离喷嘴的距离的增加,等离子体振动温度先增加后减小,当距离喷嘴5.4 mm时振动温度达到最高值。对上述现象进行了定性分析。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。     

同轴枪放电等离子体电流片的运动特性研究

同轴枪放电可以产生高速度、高密度的等离子体射流,在天体物理、核物理等研究领域具有广泛的应用.基于同轴枪放电等离子体运动的"雪犁模型"分析,本实验通过对等离子体光电信号和磁信号的测量及放电照片的拍摄,研究了不同放电电流和气压对同轴枪放电等离子体电流片的运动特性、电流通道分布的影响.实验结果发现:一次放电过程中,气压为10 Pa、放电电流为35.7—69.8 kA时,随着放电电流的增加,等离子体喷射速度增加,输运距离与离子携带的轴向动能成正比,大电流条件下,等离子体喷出枪口时易于在枪底端形成新的电流通道;气压为5—40 Pa、放电电流为49.8 kA时,随着气压的增加,等离子体喷射速度减小,输运距离缩短,高气压下,等离子体喷出枪口时在枪底端未产生新的放电通道,这与放电过程中遗留在枪底端的带电粒子和电流片渗漏残留在枪内的中性粒子共同形成的阻抗通道有关;电流反向时,二次放电击穿位置发生在电极头部,放电过程中存在多次放电现象.     

直流激励的大气压氩气喷枪的光谱研究

利用正高压驱动空心针-板喷枪装置,通入工作气体氩气,在大气压空气中产生了均匀稳定的喇叭状等离子体羽。电学和光学测量结果表明,放电虽然是在直流电源驱动下工作,但放电为周期性的脉冲。通过对等离子体羽发光信号进行空间分辨测量,研究了脉冲的形成机理,发现除针尖附近的电晕放电外,等离子体羽是以正流光(等离子体子弹)从针尖向着接地电极方向传播的。采用光谱学方法,对电子激发温度随电压的变化及其空间分布进行了测量。结果表明,电子激发温度(约为3 eV)随电压的增大而升高,在一定电压下,电子激发温度沿气流方向也在升高。     

空气中单个激光等离子体通道的形成条件

利用皮秒和飞秒激光研究了激光在空气中聚焦产生单个等离子体通道的条件.研究发现，能量为8—12mJ皮秒激光被焦距为15cm的透镜聚焦后，可以产生较为稳定的单个通道.通过横向纵向阴影成像分析发现，通道的管壁对聚焦产生的自发光具有箍缩作用，而通道内部却有利于光的传输.同时还发现，当采用短焦距透镜时，能量低于10mJ的飞秒激光在空气中较易形成单个等离子通道. 关键词： 等离子体通道 皮秒激光 飞秒激光 阴影成像     

超高速空间微小碎片撞击充电材料诱发的放电

空间微小碎片与航天器表面超高速撞击, 能够抛射出等离子体, 在高充电的航天器表面诱发静电放电, 是可能引发航天器异常的一个重要因素. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器对充电材料进行超高速(3 km/s)撞击模拟实验, 通过观测放电脉冲信号来研究因撞击产生的等离子体诱发的放电, 得到较好的实验现象, 初步确认了超高速碎片撞击充电材料诱发放电的机理.     

Two-dimensional numerical study of an atmospheric pressure helium plasma jet with dual-power electrode

In this paper,the characteristics of an atmospheric pressure helium plasma jet generated by a dual-power electrode(DPE) configuration are investigated by using a two-dimensional fluid model.The effect of a needle electrode on the discharge is studied by comparing the results of the DPE configuration with those of the single ring electrode configuration.It is found that the existence of the needle leads to the generation of a helium plasma jet with a higher propagation velocity,higher species density,and larger discharge width.Furthermore,the influences of the needle radius and needle-to-ring discharge gap on the generation of a plasma jet are also studied.The simulation results indicate that the needle electrode has an evident influence on the plasma jet characteristics.     

An atmospheric-pressure nitrogen-plasma jet produced from microdischarges in a porous dielectric

This report presents an atmospheric-pressure nitrogen-plasma jet generated from microdischarges in a porous dielectric. A plasma jet with a length of 42 mm was produced by feeding nitrogen gas through a porous alumina installed between an outer electrode and a hollow inner electrode and by applying 60 Hz sinusoidal voltage wave to the electrodes. Microdischarges in the porous alumina are ejected as a plasma jet from the outer electrode through a 1 mm hole by increasing the applied voltage, showing that the temperature of the jet decreases to a value close to room temperature. Even at a frequency as low as 60 Hz, the plasma that evolves from a large amount of microdischarge inside a porous dielectric can have characteristics that are similar to those generated at several hundreds of kilohertz. From the electrical measurements, it is expected that not only the steady generation but also the frequency of the pulses resulting from the microdischarges in the porous dielectric play an important role in obtaining a stable plasma jet. We also identified the various excited plasma species produced from the plasma jet by an optical emission spectroscopy.     

不同电极结构下大气压Ar等离子体射流的流体模拟研究

采用二维轴对称流体模型对比研究了3种不同电极结构下大气压Ar等离子体射流的基本特性。第一种是带绝缘介质的针电极结构（电场方向和气体流方向平行）,第二种是在第一种电极结构的介质管外增加一个垂直气流方向的接地环电极,第三种是不带绝缘介质的裸针电极结构。研究结果表明,接地环电极的引入对介质管内外的射流传播影响不同。在介质管内,接地环电极使管内表面附近的径向电场增加,电子密度升高,射流传播速度加快,但对中心轴附近的电场和电子密度影响很小;然而在介质管外,接地环电极的引入导致轴向和径向电场均减小,从而引起射流的传播长度减小,射流通道径向收缩。通过带绝缘介质的针电极和裸针电极结构的对比研究发现,保持其他条件不变,去掉包裹在针电极上的介质后,由于等离子体电势升高,电场增加,射流的传播长度几乎增加一倍,峰值电子密度增加近一个数量级,而且在整个射流通道内电子密度都保持相对高的值。此外,对3种电极结构下的主要活性粒子的产生和输运进行了比较研究。     

不同电极结构下双通道大气压He等离子体射流数值研究

采用二维轴对称流体模型对单电极结构（不锈钢针管）和双电极结构（不锈钢针管-高压环形电极）下同轴双通道进气的大气压氦气等离子体射流进行了对比研究。研究表明:相比于单电极结构,双电极结构下射流的传播速度明显降低,介质管内尤为严重。同时双电极结构下射流的空间结构也发生了显著变化。在单电极结构下,随射流发展由环形中空结构转变为实心圆盘结构;而在双电极结构下则呈现出实心圆盘结构至环形中空结构再至实心圆盘结构的演化过程,改善了射流空间分布的均匀性。此外,还研究了双电极结构下高压环形电极厚度对射流的影响。研究表明,随环形电极厚度的增加,射流的传播速度进一步降低,射流通道径向收缩,同时环形中空结构的射流内径减小,进而改善了射流径向分布的均匀性。     

大气压氩气射流等离子体的光谱特性研究

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源,已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置,在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽,并采用发射光谱的方法,对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光,钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。在电压保持不变的条件下(13.5 kV),等离子体羽长度随气体流量增加而增大;在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1),羽长度随外加电压的增大而增大。在气体流量一定的条件下,放电电压和放电电流呈反比例关系,即电压随着电流的增大而减小,说明放电属于辉光放电。采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱,通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。结果表明,电子的激发温度随外加电压的增大而降低,随着工作气体流量的减小而升高。利用放电的基本理论对上述现象做了解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

Experimental Investigation of Plate Cooling by Ionic Wind from a Needle Electrode

Technical Physics - We have investigated experimentally the cooling of a heated plate playing the role of a grounded electrode by a narrow intense ionic wind jet produced by a needle electrode and...     

纳秒脉冲放电等离子体射流特性

采用单针式电极,使用单极性重复频率脉冲电源,在常压氦气、氩气、氮气和空气中得到等离子体射流,并改变电压、流量和气体种类,分别观察不同的实验条件对等离子体射流的影响。实验结果表明:射流长度随施加电压的增加而增长;随着流量的连续变化,射流长度先逐渐变长,达到峰值后由于湍流影响,长度又逐渐缩短,达到一定流量后趋于饱和。此外,不同工作气体中的等离子体射流呈现截然不同的外观,氦气和氩气中射流呈针状模式,长度可达7 cm以上;而在氮气和空气中,射流呈现为长度不超过2 cm的刷状模式。     

A unipolar pulsed plasma generator in combination with a laser as a plasma jet source

A pulsed plasma generator ignited by plasma produced by laser radiation is described. The plasma generator can provide a relatively high-velocity plasma jet of specific chemical composition. The principal parameters of the plasma jet (its velocity, charged particle concentration, and temperature) have been measured and the properties of the plasma jet have been found to be independent of the polarity of the plasma generator ring electrode.The authors are grateful to M. A. El'yashevich for discussing the present paper.     

纳秒脉冲等离子体射流的产生及其特征研究

利用纳秒脉冲放电在单针、环状、以及单针加环状三种不同电极结构下产生了均匀稳定的等离子体射流;通过光学和电学诊断研究了三种不同结构下等离子体射流的运行特性及相应的物理机制。实验结果表明,以上三种等离子体射流的转动温度均为295K,振动温度分别为1900K,2000K和2100K,都属于非平衡态等离子体;其中,基于单针和环状电极的混合型射流可产生更为均匀稳定的等离子体,且富含较多的活性物种,有望在材料表面处理及消毒灭菌等领域发挥一定作用。     

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利用纳秒脉冲放电在单针、环状、以及单针加环状三种不同电极结构下产生了均匀稳定的等离子体射流;通过光学和电学诊断研究了三种不同结构下等离子体射流的运行特性及相应的物理机制。实验结果表明,以上三种等离子体射流的转动温度均为295K,振动温度分别为1900K,2000K和2100K,都属于非平衡态等离子体;其中,基于单针和环状电极的混合型射流可产生更为均匀稳定的等离子体,且富含较多的活性物种,有望在材料表面处理及消毒灭菌等领域发挥一定作用。