空气介质阻挡放电发射光谱测量及放电过程粒子分析

发射光谱是对等离子体进行检测和诊断最常见的应用方法,提供了等离子体的化学和物理过程丰富的信息,放电过程中等离子的动力学行为的分析研究对于气体放电机理及其应用具有重要的作用。设计了一套介质阻挡空气放电光谱测量装置,测量了在实验条件下的发射光谱数据,通过发射光谱分析了介质阻挡放电等离子体的粒子演化。建立了数值计算模型,耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于介质阻挡空气放电过程中的各种粒子变化规律进行了分析,解释了发射光谱的特征。结果表明,约化场强越大,激发的粒子数的浓度越大。对于40,60与80 Td的约化场强,同一时刻同种粒子数的浓度会有一到两个数量级的差距。电场的激发产生了大量的N₂(A3),N₂(B3)与N₂(C3)的粒子,但是由于其能级较高,而迅速发生了转化,并且在放电的10-6 s后,这些粒子的产生与转化达到了平衡。相比激发态氮分子,O₂(A1) O₂(B1)与O₂(A3Σ+_u)的峰值浓度并不低,这些粒子的能量相对较低,跃迁产生的谱线波长较长,光谱仪并未清晰捕捉到氧分子的发射光谱。O粒子的峰值浓度较小,因此其跃迁产生的发射光谱较弱。放电过程中产生的较为稳定的O₃浓度持续增加,NO₂的浓度达到峰值后也不会下降。建立的模型计算结果可以很好地解释实验中测量得到的发射光谱数据。     

Numerical study on the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced plasma

Based on the fluid theory of plasma, a model is built to study the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced argon plasma. In the model, species such as electrons, N2+, N4+, Ar+, and two metastable states (N 2(A3∑u+), N2 (a1 ∑u-)) are taken into account. The model includes the particle continuity equation, the electron energy balance equation, and Poisson抯equation. The model is solved with a finite difference method. The numerical results are obtained and used to investigate the effect of time taken to add nitrogen gas and initially-induced argon plasma pressure. It is found that lower speeds of adding the nitrogen gas and varying the gas pressure can induce higher plasma density, and inversely lower electron temperature. At high-pressure discharge, the electron density increases when the proportion of nitrogen component is below 40%, while the electron density will keep constant as the nitrogen component further increases. It is also shown that with the increase of initially-induced argon plasma pressure, the density of charged particles increases, and the electron temperature as well as the electric field decreases.     

发射光谱研究多针对板电晕放电O活性原子特性

利用发射光谱技术在大气压下测量了空气中多针对板负直流电晕放电和正电晕流光放电产生的O(3p5 P→3s 5 S02777.4nm)活性原子发射光谱。在负电晕放电中,研究了放电功率、电极间距、N2含量和相对湿度等因素对O活性原子产生过程的影响;在正电晕流光放电阶段,研究了O活性原子相对密度在放电反应空间的分布特点。结果表明:O活性原子产量随放电功率的增加而增大,随电极间距增大而减少,随相对湿度和氮气含量的增加,其产量先增大后减少;O活性原子相对密度沿针尖轴向呈先增大后减小的趋势。     

Two-dimensional simulations of plasma flow and charge spreadingacross barrier pixels in AC plasma displays

Two-dimensional multispecies simulations of adjacent pixels separated by a barrier height 80% the gap height in a plasma display pixel cell are performed. The fill gas pressure is 400 torr with 2% xenon in helium. The simulations using a minimum number of excited states of helium and xenon are performed for different cell widths representing different display resolutions. The simulations show plasma transport through the gap to the adjacent pixel which is in the sustained off state. In a sustained off state, there is no discharge in the pixel at the sustained voltage. The simulations show that for low-resolution displays, the plasma overflow does not cause a discharge in the adjacent pixel that is in the sustained off mode, while for a high-resolution display a 20% gap in the barrier height could result in a breakdown in the adjacent off pixel. A higher pixel resolution, or equivalently smaller pixel pitch. requires higher firing and sustained voltages due primarily to increased particle losses as a result of the reduced particle transit times. Finally, using a larger number of excited xenon atomic states including the xenon [6s, j=1] and [6s', j=1] radiative states and the molecular xenon dimer, an isolated single pixel is simulated to model the transport of excited states including the radiative states. The model shows that the density profiles peak in the cathode fall region spreading out to the side walls with decreasing intensity     

介质势垒放电(DBD)等离子体中NO荧光发射谱研究

利用介质阻挡放电 (DBD)等离子体技术对大气污染物NO分子进行了光谱研究 ,得到了低气压条件下放电等离子体在 2 1 0～ 2 80nm光谱范围内的荧光发射谱。该谱明显的表现为双峰结构 ,谱线均成对出现 ,强度分布符合Frank Condon原理 ,且最大峰值位置出现在 2 36nm处 ,将该组谱线归属为NO分子的A2 ΣA →X2 Π1 / 2 ,2 / 3 跃迁。荧光产生过程为 :基态NO分子与高能电子发生非弹性碰撞被激发至激发态A2 Σ 后自发跃迁回基态同时辐射出荧光。通过测量等离子体中NO分子和N2 分子 337nm谱线强度随时间的变化关系 ,初步证实了放电等离子体中存在的NO分子的分解机制为 :e NO→N O e,N NO→N2 O ,O NO→NO2 hν。     

大气压低温氦等离子体射流的诊断研究

为了加快低温氦气等离子体射流的工程化进程,通过自主设计的同轴式介质阻挡放电等离子体射流发生器,在放电频率10 kHz,一个大气压条件下产生了稳定的氦气等离子体射流。通过分析不同工况下的电压电流波形可以发现单纯增加氦气体积流量只能小幅的增加电流脉冲幅值,而对放电时间、电流脉冲数的影响不大。增加放电峰值电压时电流脉冲幅值会得到较大幅度增加。通过发射光谱法对大气压氦气等离子射流的活性粒子种类、电子激发温度、电子密度进行了诊断。结果表明,大气压氦气等离子体射流中的主要活性粒子为He Ⅰ原子、N₂第二正带系、N+₂的第一负带系、羟基（OH）,H原子的巴尔末线系（H_α和H_β）与O原子,这表明虽然该试验中使用的氦气纯度已达99.99%,但其中仍残留有少量的空气,同时放电时大气中的空气会被卷吸到放电空间发生电离。还可以发现,主要活性粒子的相对光谱强度随氦气体积流量的增加及放电峰值电压的增大均呈现上涨的趋势。选用He Ⅰ原子的四条谱线对不同试验工况下的电子激发温度进行了计算,得到大气压氦气等离子体射流的电子激发温度在3 500~6 300 K之间,电子激发温度随放电峰值电压与氦气体积流量的增大总体上呈现上升的趋势。但由于反向电场的存在,某些峰值电压可能会出现电子激发温度下降的情况;根据Stark展宽原理对大气压氦气等离子体射流的电子密度进行了计算,发现电子密度的数量级可达1015 cm-3,同时增大峰值电压与氦气体积流量均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的研究对氦气等离子体射流在工程实际中的应用具有重要意义。     

少量氩气对大气介质阻挡放电光谱的增强

采用双水电极介质阻挡放电装置,测量了大气介质阻挡放电的光谱,并研究了加入少量氩气后光谱的变化。在300～800 nm波长范围内,发现了氮分子(C3Π_u(v′=0)→B3Π_g(v″=0～4))的光谱和氮原子(4d4D_7/2→3p4P0_1/2)的光谱。在大气中加入少量氩气后,击穿电压明显降低,在相同电压条件下,氮分子光谱线和氮原子光谱线强度都增强。同时,加入氩气后上述谱线的半宽度明显加大。由于谱线的Stark加宽与电子密度成正比, 说明加入氩气后等离子体的电子密度增大, 使得电子碰撞激发氮分子及氮原子的概率增大,激发到较高激发态的氮原子或氮分子增多,从而使光谱强度增强。     

闪电放电通道等离子体成分及相关特性的研究

以无狭缝摄谱仪获得了青海和西藏地区的云对地闪电回击过程的光谱,依据谱线波长和相对强度等信息,结合等离子体相关理论,得到了放电通道温度和电子密度;在此基础上,根据Saha方程、电荷守恒方程和粒子数守恒方程计算了闪电通道主要元素各级电离的离子数密度,进而得到通道质量密度、压强及平均电离度, 并分析了不同强度闪电放电通道的电离度、粒子数密度及其分布特征。结果表明：回击通道接近于完全电离,一次电离离子占主要地位,且NⅡ离子数密度最高;不同强度的闪电放电通道中,NⅡ和OⅡ离子的相对浓度值变化不大;计算过程中考虑带电离子间库仑相互作用以后,原子电离能的计算值降低,中性原子以及一次电离离子数密度的计算值变小,高次电离离子数密度的计算值变大。     

微波气体放电等离子体与余辉中的动理学研究

研究了微秒脉冲聚焦微波束气体放电等离子体的动理学过程。数值模型基于自洽求解的微波电场亥姆霍兹方程、粒子连续性方程以及电子能量、气体分子振动能量和平动能量的平衡方程,并与等离子体动理学反应互相耦合。对比了国外报道的近期两项相关实验:次MW级X波段9.4 GHz微波氮气击穿和MW级W波段110 GHz微波大气击穿。在次MW级实验中,计算所得电子激发态N₂(C3Π_u)的数密度与实验所测发射光谱第二正带隙的强度一致;在MW级实验中,模拟结果重复了发射光谱测量所得振动温度和平动温度对放电气压的依赖关系。结果揭示了上述模拟和实验符合的内在物理机制。     

基于密度泛函理论的肾上腺素分子的光谱分析

肾上腺素是一种神经和激素的传送体,研究肾上腺素分子的光谱和能级有助于了解其化学稳定性和药理作用。基于密度泛函理论（DFT）,利用Gaussian 09软件在B3LYP/6-311G（d,p）基组水平上对肾上腺素分子进行结构优化,采用含时密度泛函理论（TD-DFT）的PBE方法在def2tzvp基组水平上计算肾上腺素分子在气相中的前20个激发态,利用Multiwfn3.7（dev）软件绘制出其紫外光谱图并对激发性质进行分析。肾上腺素分子紫外光谱对应的主要跃迁是从基态分别到第1,2,4,8,15和16激发态的跃迁,其他的激发态的振子强度低于阈值0.03。理论计算得出肾上腺素的紫外光谱有两个吸收峰,分别位于206.23和273.92 nm,206.23 nm峰主要由基态跃迁到第16激发态形成,273.92 nm峰主要是基态跃迁到第2、4激发态形成,主要是由苯环上π→π*跃迁所产生,并与实验光谱吻合较好。对肾上腺素分子的激发态性质分析可知,上述吸收峰都是在最高占据轨道和最低空轨道的临近轨道跃迁产生的。利用密度泛函的PBE方法在6-311G（d, p）的基组水平上计算肾上腺素分子频率并绘制红外光谱,由振动分析可知,3 738和3 662 cm-1峰是由酚羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,3 715 cm-1峰是由醇羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,2 854 cm-1峰是由甲基的C18-H20键的伸缩振动产生的特征吸收峰,1 516和1 439 cm-1峰是苯环骨架的伸缩振动的特征吸收峰,1 279与1 057 cm-1峰分别是由C6-O10和C12-O23键伸缩振动产生的特征吸收峰,620 cm-1峰是N22-H17键摇摆振动的特征吸收峰。对比肾上腺素的实验红外光谱,发现理论光谱与实验光谱中各基团的特征吸收峰都较为明显且总体吻合较好。由于肾上腺素分子二聚体和多聚体之间形成氢键,分子间氢键的形成削弱了O-H键的强度,降低了能形成分子间氢键的羟基O-H的伸缩振动频率,从而导致实验光谱在3 500～2 500 cm-1之间呈现出一个宽峰。     

Impact of the Vibrationally Excited States on the Macroscopic Behaviour of the Band-like Electron Beam Discharge Plasma in H/H2-Mixture

The investigation of the impact of the vibrationally excited molecules in the electronic ground state was performed by simultaneously solving a balance equation system for the main charge carriers, the H atoms, the metastable H atoms, the H₂ molecules in the different vibrational states and for the power transfer of the electrons in the beam discharge mixture plasma. The balance equations for the vibrational states include in particular one-quantum step excitation and deexcitation, electronic excitation, dissociation and ionization from each vibrational level in electron collisions as well as the finite life time of these states because of the gas transfer through the band-like plasma. A main finding is that due to the additional impact of vibrationally excited molecules there is a marked enhancement of the resulting dissociation and ionization degree in the beam discharge plasma at medium power input from the turbulent electric field. For discharge parameters of practical interest the ionization and dissociation budget, the population of the vibrational states, the different energy dissipation processes and the energy pumping into the ladder of the vibrational states were calculated and discussed in detail.     

吸收光谱法测量大气压空气介质阻挡放电的臭氧浓度

臭氧作为一种强氧化剂和杀菌剂,在污染物降解,食品加工,杀菌消毒,医疗卫生等方面有着非常广泛的应用。大气压介质阻挡放电是一种极为高效的产生臭氧的方法,利用平行平板介质阻挡放电装置,采用交流高压激励,产生了大气压空气非平衡态等离子体。通过测量其电压和发光信号,发现在电压的正、负半周期均存在着许多随机的放电脉冲,并且其脉宽均在几十到几百纳秒之间,这表明其机制是流光放电。放电的光学发射谱包含氮分子的第二正带系(C 3Π-B 3Π)和第一正带系(B 3П-A 3П),氮分子离子的第一负带系(B 2Σ-X 2Σ),以及氧原子谱线(715.7和799.5 nm)。由于流光放电在紫外区域(200~300 nm)没有明显的发射谱线,但臭氧在此区域存在吸收峰,因此可以利用此区域的紫外吸收光谱测量放电产生的臭氧浓度。吸收光谱法可以有效的监测其臭氧浓度的变化情况,其优势在于操作简单,对实验环境要求低,可在放电条件下使用,并且可以连续监测臭氧浓度变化。基于此,通过Beer-Lambert定律计算了臭氧浓度随实验参数的变化,结果发现随外加电压幅值和驱动频率的增加,臭氧浓度升高。这些结果对于大气压介质阻挡放电的工业应用具有重要价值。     

Measurements of argon metastable density using the tunable diode laser absorption spectroscopy in Ar and Ar/O_2

Densities of Ar metastable states 1s_5 and 1s_3 are measured by using the tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS) in Ar and Ar/O2 mixture dual-frequency capacitively coupled plasma(DF-CCP). We investigate the effects of high-frequency(HF, 60 MHz) power, low-frequency(LF, 2 MHz) power, and working pressure on the density of Ar metastable states for three different gas components(0%, 5%, and 10% oxygen mixed in argon). The dependence of Ar metastable state density on the oxygen content is also studied at different working pressures. It is found that densities of Ar metastable states in discharges with different gas components exhibit different behaviors as HF power increases. With the increase of HF power, the metastable density increases rapidly at the initial stage, and then tends to be saturated at a higher HF power. With a small fraction(5% or 10%) of oxygen added in argon plasma, a similar change of the Ar metastable density with HF power can be observed, but the metastable density is saturated at a higher HF power than in the pure argon discharge. In the DF-CCP, the metastable density is found to be higher than in a single frequency discharge, and has weak dependence on LF power. As working pressure increases, the metastable state density first increases and then decreases,and the pressure value, at which the density maximum occurs, decreases with oxygen content increasing. Besides, adding a small fraction of oxygen into argon plasma will significantly dwindle the metastable state density as a result of quenching loss by oxygen molecules.     

等离子体中活性粒子分析及化学动力学机理

利用发射光谱测量技术分析了介质阻挡放电等离子体激励空气产生的主要活性粒子,利用零维等离子体动力学模型模拟了甲烷/空气中放电阶段主要活性粒子的演化规律,并通过敏感性与化学路径分析研究了O原子影响甲烷点火过程的化学动力学机理。研究表明:空气中介质阻挡放电等离子体主要产生N2和O2的激发态粒子,激发态粒子的数密度随着电压的增加而增大;激发态粒子经过一系列物理化学反应最终转化成若干自由基,其中O原子的摩尔分数最大;O原子缩短甲烷点火延迟时间一个量级,原因在于添加O原子后甲基(CH3)的氧化途径由自点火过程中的经O2直接氧化为CH3O和CH2O转变为经HO2和O原子氧化为CH3O和CH2O,由于后者的基元反应速率快,因而明显缩短了点火延迟时间。     

Measurement of atomic hydrogen density in non-thermal H<Subscript>2</Subscript> plasmas via threshold ionisation-molecular beam mass spectrometry

Determinations of radical density are essential to investigate the physical-chemical processes in plasmas and setup the related theoretical models. This paper presents the experimental measurement of atomic hydrogen near grounded electrode in dielectric barrier discharge medium-pressure hydrogen plasma via threshold ionisation-molecular beam mass spectrometry. After investigating the possible influences from parent molecules in excited states, background component and space-charge, evolution of atomic hydrogen density as functions of discharge parameters are investigated utilising the signal of H₂ molecule beam as the reference. At fixed gas pressure of 6.0 torr and a discharge voltage of 24 kV, atomic hydrogen density increases monotonously from 1.1×10¹⁴ to 2.0×10¹⁵ cm^-3 as the discharge frequency increases from 9 to 26 kHz. Similarly the rising discharge voltage also lead to enhancement of atomic hydrogen density.     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断。结果表明,射流中的主要活性粒子为N₂的第二正带系、Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子,其中N₂的第二正带系的相对光谱强度最强、最清晰,在本试验的发射光谱中没有发现N+₂的第一负带系谱线,这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算,得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。随峰值电压的增大,电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势,这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。通过N₂的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断,发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间,其随峰值电压的增大而减小,这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能,但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短,进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小,从而导致等离子体振动温度的降低。     

螺旋波激发氢等离子体光谱诊断

 利用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWP-CVD)技术,以氢气为反应气体产生等离子体。通过采集氢的可见到紫外发射光谱,对等离子体进行了原位诊断,由氢Balmer系分析得到了不同实验参数对激发态氢原子相对密度的影响,通过对Fulcher带的分析,得到实验参数对氢振动温度的影响。结果表明：低压氢等离子体状态可借用日冕模型来诊断;激发态氢原子密度随入射功率增加而增加,随压强增加而减少,氢分子振动温度随压强增加先增大后减小;电子温度和电子密度是低压氢等离子体状态变化的关键因素。     

大气压He-Ar射频容性放电Ar亚稳态粒子数密度

利用发射光谱法测量大气压He-Ar混合气体射频容性放电中的Ar亚稳态1s5(3s23p54s［3/2］2)粒子数密度。在不同的放电功率和气体组分下测量放电等离子体中的重要参数:气体转动温度、电子激发温度和Ar亚稳态1s5粒子数密度。结果表明:气体温度在不同放电功率及Ar气压在5103 Pa以内时变化不大,范围为300~350 K;电子激发温度随着放电功率的增加而增加,并且在Ar气压为4103 Pa时最大,在放电功率为70 W时达到0.58 eV;1s5粒子数密度随着放电功率以及电子激发温度的增加而增加,在放电功率为70 W、Ar气压为4103 Pa时达到1.53109 cm-3。     

Experimental evidence of excited multicharged atomic fragments coming from laser-induced coulomb explosion of molecules

Direct experimental evidence is presented for the production of excited multicharged atomic fragments in the laser-induced Coulomb explosion of molecules. The comparison of the fluorescence signals of several atomic and molecular species shows that the excited fragments come from transient excited multicharged molecules. The atomic fluorescence spectra recorded with NH3, N2, and N2O, in the 50-120 nm wavelength range, show that the excitation increases noticeably from NH3 to N2O. This effect is interpreted in terms of the initial electronic configuration, which favors a stronger excitation when the electronic density is more delocalized on the molecular nuclear structure.     

大直径射流的放电特性及其等离子体参数和活性粒子分布的光谱诊断

大气压等离子体射流因其产生的等离子体羽富含活性粒子而在废水净化、元素探测、材料处理等方面具有良好的应用前景。通常等离子体羽的直径较小,限制了其工作效率。针对于此,利用交流电压激励大气压氩气等离子体射流,产生了直径约为14 mm的大尺度均匀等离子体羽。采用发射光谱法对电子密度和氧原子浓度随不同实验参数的变化关系进行了研究。光电测量结果表明,当外加电压峰值或氩气流量增加时,等离子体羽发光亮度增加。当电压峰值较低时,等离子体羽的上下游在电压的每个周期均有两个光脉冲信号,且上游光信号强度比下游的大。随着电压峰值增大,上下游等离子体羽的光信号强度都增大。当电压峰值较高时,上下游等离子体羽的光信号在每个电压周期呈现三个放电脉冲。不论每个电压周期放电脉冲数目多少,上下游等离子体羽的发光信号均具有同步性。利用光谱仪采集了300～800 nm范围内上下游等离子体羽的发射光谱,发现它们中均含有OH和N₂的谱线及ArⅠ和OⅠ谱线。其中,上游等离子体羽的ArⅠ谱线强度比下游的大,但OH和N₂的谱线强度比下游的小。利用谱线强度比对上、下游等离子体羽的电子密度进行了研究。结果表明,上游等离子体羽的电子密度在1014 cm-3量级,高于下游羽的电子密度（1013～1014 cm-3量级）。并且,上游和下游等离子体羽的电子密度均随外加电压峰值的升高而增加,随氩气流量的增加而增加。利用光化线强度法,研究了下游羽中氧原子浓度随实验参数的变化规律。结果表明,氧原子浓度沿气流方向降低;对于一个等离子体羽,平均而言氧原子浓度随外加电压峰值升高而增加,随氩气流量增加而增加。对于以上实验现象,利用气体放电的基本理论进行了定性解释。