一维大气等离子体化学过程数值模拟

用数值模拟方法研究了低空及高空环境下，大气等离子体的化学反应及一维扩散过程. 推导了三组分(电子和正负离子)的双极扩散公式，观察了扩散过程中不同组分的空间分离，以及扩散和化学反应对电子数密度演化的贡献. 关键词： 大气等离子体 化学过程 数值模拟     

不同电离度下大气等离子体粒子行为的数值模拟

利用一个空间零维大气等离子体模型对其中的主要粒子在不同电离度情况下的变化规律进行了研究.得到放电后不同初始电子密度下的电子寿命,同时给出了主要带电粒子和中性粒子密度随时间的演化.结果表明,电子密度随时间快速衰减,电子寿命随电离度的增大而减小.对一些重要的中性粒子(如O,N,O₃和NO)随电离度增大的行为进行了分析. 关键词： 电离度 大气等离子体 数值模拟     

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。     

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采用二维轴对称双温度化学非平衡(2T-NCE)模型,模拟了带有水冷约束管的大气压直流电弧氩等离子体发生器.得出了不同工作参数下等离子体中电子温度、重粒子温度的变化关系,表明直流电弧等离子体有很强的非平衡特性,且变化规律十分明显.     

封面故事

这是一幅为了研究大气压等离子体射流而拍摄的照片,氦气流的纹影（绿色部分）与等离子体射流被同时摄入照片．纹影术（Schlieren photography）常被用于流体动力学的研究．流体介质由于某种原因（例如热膨胀）产生的折射率分布会使通过其间的平行光线发生偏折,这为获得流体运动状态的影像提供了可能．氦大气压等离子体射流是在通过介电材料微管射人大气的氦气流中产生的冷等离子体“类子弹”流,可广泛地用于材料、生物样品以及人类活体表面的处理．为了研究这种等离子体射流的气流与放电行为之间的关系,我们自己设计搭建一套纹影摄影装置,将氦气流的纹影像和等离子体羽流同时摄人一张照片．这是国际上第一张关于大气压等离子体射流的纹影照片．     

用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析

研究将激光感生击穿光谱技术用于元素定量分析的可行性。利用Nd∶YAG激光器发出的激光与一个大气压下的空气相互作用产生激光等离子体，等离子体的光经单色仪分光后转化为电信号进入计算机，存储了600～800nm的等离子体光谱数据。利用自由定标模型对等离子体进行了分析。在延迟时间8μs、采样门宽0.4μs时，利用二维波尔兹曼平面得到了大气等离子体处于局部热平衡时的温度（1.62×10K）。在假设空气全部由N和O组成的条件下由自由定标模型得到了空气中氧的含量（20.75%）和氮的含量（79.25%）。试验结果与实际吻合得很好。实验证实了用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析是可行的，为大气污染监测研究和试验工作奠定了基础。     

有源等离子体在开放大气环境下的反应扩散过程研究

利用一维模型用数值模拟的方法,研究了低气压开放环境下大气等离子体在存在等离子体源的情况下的反应扩散过程.得到了考虑化学反应、扩散以及漂移共同作用下的大气等离子体的主要成分随等离子体注入流量的变化规律及一定流量情况下主要带电成分随时空的演化规律. 将数值模拟结果与一个近似解析公式相衔接,估计达到稳态时维持一定电子密度所需要的等离子体流量,可据此进一步估计所需功率. 关键词： 大气等离子体 等离子体源 数值模拟 反应扩散过程     

大气压等离子体辅助多晶硅薄膜化学气相沉积参数诊断

本文采用发射光谱法诊断了大气压下Ar气、SiCl₄及H₂气混合气体（Ar/SiCl₄/H₂）射频放电等离子体射流特性.利用Si原子谱线强度计算了电子激发温度并以此估算了Si原子数密度,研究了射频功率及气体流量对电子激发温度和Si原子数密度以及SiCl₄解离率的作用. 关键词： 大气压等离子体射流 发射光谱 电子激发温度 多晶硅薄膜沉积     

强流脉冲离子束烧蚀等离子体向背景气体中喷发的数值研究

强流脉冲离子束辐照靶材产生烧蚀等离子体向背景气体中传播与向真空中传播不同，包括喷发等离子体与背景气体的相互作用.本文建立了该过程的二维气体动力学模型，计算了等离子体向压强范围从10^-6大气压到大气压背景气体中传播时的情况.结果表明，背景气体压强不同时，等离子体传播的现象也不相同.向真空中可以自由膨胀，向大气压中膨胀受限；当背景气压在千分之一大气压左右时，等离子体在背景气体中形成“雪犁”状，羽状等离子体出现快速和慢速传播分离现象.     

介质阻挡放电点燃大气压直流均匀放电的光谱研究

由于大气压均匀放电等离子体在工业领域具有广泛的应用前景,为了获得大尺寸的大气压均匀等离子体,采用氩气作为工作气体,在大气压空气环境中利用同轴介质阻挡放电点燃了针-板电极间的大气隙(气隙宽度达到5 cm)直流均匀放电。研究发现,同轴介质阻挡放电能够有效降低针-板电极间的击穿电压。该均匀放电由等离子体柱、等离子体羽、阴极暗区和阴极辉区组成。其中等离子体柱和阴极辉区都是连续放电。而等离子体羽不同位置的放电是不同时的。事实上,等离子体羽放电是由从阴极向着等离子体柱移动的发光光层(即等离子体子弹)叠加而成。利用电学方法测量了放电的伏安特性曲线,发现其与低气压正常辉光放电类似,均具有负斜率。采集了放电的发射光谱,发现存在N₂第二正带系、氩原子和氧原子谱线。通过Boltzmann plot方法对放电等离子体电子激发温度进行了空间分辨测量,发现等离子体柱的电子激发温度比等离子体羽的电子激发温度低。通过分析放电机制,对以上现象进行了定性解释。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。     

压缩空气微波等离子体发射光谱的实验研究

利用微波等离子体发生装置,以压缩空气为工作气体,在1～5 atm气压下激发了微波等离子体。使用光谱测量系统,对不同气压和不同入射微波功率情况下的压缩空气微波等离子体的发射光谱进行了实验研究。结果显示,在其他条件不变时,随着气压升高,压缩空气微波等离子体的带状连续谱特征逐渐减弱;随着入射微波功率降低,带状连续谱强度逐渐减弱而带状连续谱特征依然显著。实验结果为了解压缩空气微波等离子体的光谱特性和NO活性基团的产生条件提供了实验依据。     

大气压介质阻挡放电的光谱研究

使用水电极介质阻挡放电装置,分别在大气压空气和氦气中实现了稳定的高气压放电。通过水电极观察两种气体的放电,发现大气压空气中放电为空间随机分布的微放电丝,等离子体是不均匀的,而在氦气中放电没有微放电丝,空间分布比较均匀。比较而言,这种均匀放电产生的等离子体具有更广泛的工业应用前景。对两种气体中放电的电流波形进行了比较,发现空气中放电的电流脉冲在时间上是随机出现的而氦气中放电的电流脉冲在时间上具有周期性,并且空气中放电脉冲宽度约为几十ns而氦气中放电的电流持续时间较长,脉冲宽度大约为1μs。文章还对两种气体中介质阻挡放电发射光谱进行了研究,结果表明大气压氦气中均匀放电的N+₂(B2Σ+_u→X2Σ+_g)谱线391.4nm很强而在大气压空气放电中此光谱线很弱。这些研究结果对高气压条件下均匀放电的实现和大气压辉光放电的工业应用具有重要意义。     

Numerical simulation of chemical processes in atmospheric plasmas

A model is built to study chemical processes in atmospheric plasmas at low altitude (high pressure) and at high altitude (low pressure). The plasma lifetime and the temporal evolution of the main charged species are presented.The electron number density does not strictly obey the exponential damping law in a long period. The heavy charged species are dominant at low altitude in comparison with the light species at high altitude. Some species of small amount in natural air play an important role in the processes.     

Relationship Between the Number Density and the Phase Shift in Microwave Interferometry for Atmospheric Pressure Plasmas

Diagnosing atmospheric pressure discharges requires more sophisticated techniques than for low pressure plasmas. The plasma number density is a crucial parameter in several applications. Langmuir probe as a number density measuring technique is not applicable at high pressures because the electron mean free path is shorter than the Debye distance. Microwave interferometry appears to be an effective diagnostic technique in this case. However, because of the high collisionality of atmospheric pressure plasmas, the relationship between the phase shift, as measured by a microwave interferometer, and the plasma number density is not straightforward, as is the case in collisionless plasmas. For the special case of a uniform discharge, the plasma number density is found to depend on the square root of the phase shift.     

Temperature, pressure, and bath gas composition dependence of fluorescence spectra and fluorescence lifetimes of toluene and naphthalene

Time-resolved fluorescence spectra of gas-phase toluene and naphthalene were investigated upon picosecond laser excitation at 266 nm as a function of temperature (toluene 296–1,025 K, naphthalene 374–1,123 K), pressure (1–10 bar), and bath gas composition (varying concentrations of N₂, O₂, and CO₂) with a temporal resolution of 50 ps. In the investigated temperature range, the fluorescence spectra of both toluene and naphthalene show a significant red-shift, whereas the fluorescence lifetime decreases with increasing temperature, more pronounced for toluene than for naphthalene. Increasing the total pressure of either N₂ or CO₂ from atmospheric to 10 bar leads to an increase by about 20 % (naphthalene at 373 K) and a decrease by 60 % (toluene at 575 K) in fluorescence lifetimes, respectively. As expected, at atmospheric pressure collisions with O₂ shorten the fluorescence lifetime of both toluene and naphthalene significantly, e.g., by a factor of 30 and 90 when changing O₂ partial pressure at 373 K from 0 to 0.21 bar, respectively. The fluorescence model of Koban et al. (Appl Phys B 80: 777, 2005) for the dependence of the toluene quantum yield on temperature and O₂ partial pressure at atmospheric pressure describes toluene fluorescence lifetimes well within its range of validity. The model is modified to satisfactorily predict effective toluene fluorescence lifetimes in N₂ at pressures up to 10 bar. However, it still fails to predict the dependence at simultaneously elevated temperatures and pressures in air as bath gas. Similarly, an empirical model is presented for predicting (relative) fluorescence quantum yields and lifetimes of naphthalene. Although the fitting models have their shortcomings this publication presents a data set of great importance for practical LIF applications, e.g., in-cylinder mixture formation diagnostics in internal combustion engines.     

Material ablation and plasma state for single and collinear double pulses interacting with iron samples at ambient gas pressures below 1 bar

The influence of the ambient gas pressure on ablated material and the plasma state of laser-inducedplasmas using single and collinear double pulses is studied. A Q-switchedNd:YAG laser pulse is focused on iron samples in air at pressures ranging from 0.1 to 1013 mbar. At 1013 mbar double pulses ablate up to a factor of 4.6 more material than single pulses of the same energy. Whereas between 1013 mbar and 100 mbar a strong variation of the ablation ratio is found, the pressure dependence vanishes below 100 mbar. Electron densities in the plasma are always higher for single pulses and increase monotonously with higher ambient pressures. While the electron density for single and double pulses at 1013 mbar is close to the same value of about 10¹⁷ cm^-3, the electron temperature is more than 1500 K higher for double pulses. The plasma state achieved with double pulses at atmospheric pressure is similar to that obtained with single pulses of the same energy at a pressure of 100 mbar. Thus the effect of double pulses can be interpreted as a “laser-generated vacuum” in terms of the formation of a transient localized low particle density region in the interaction region. PACS 52.38.Mf; 78.47.+p; 42.62.Fi     

空气中大气压下均匀辉光放电的可能性

利用介质阻挡电极结构,对101325×105Pa气压下空气间隙中的放电进行了实验研究,数值模拟计算了实验条件下电子雪崩的发展过程.结果表明:对于长度不大于2mm的空气间隙,可能实现辉光放电.对于长度不小于5mm的空气间隙,如果不能设法降低放电场强,放电必然是流注形式,不可能实现辉光放电.另外,实验结果未能验证“离子捕获”机理降低放电场强而实现辉光放电的正确性 关键词： 大气压辉光放电 电子雪崩 流注     

Luminescence properties of thin films prepared by laser ablation of Nd-doped potassium gadolinium tungstate

Optically active thin films on Si substrates have been produced by laser ablation of a Nd-doped potassium gadolinium tungstate (Nd:KGW) single crystal. Films grown at low oxygen pressures (<0.6 mbar) are potassium-deficient and appear to be mainly disordered. They show a poor photoluminescence (PL) performance that improves upon annealing in air at temperatures in the range 700–1000 °C. Films grown at high oxygen pressure (1 mbar) show instead good stoichiometry and the presence of a dominant textured gadolinium-tungstate phase compared to KGW. These films have low absorption, a refractive index close to that of bulk KGW and good PL performance, the emission lifetimes being longer (τ>150 μs) under certain conditions than those measured in the single-crystal material. Received: 25 July 2001 / Accepted: 26 July 2001 / Published online: 17 October 2001     

等离子体针放电的振动温度和气体温度研究

大气压等离子体针空气放电产生的低温等离子体由于脱离了真空装置,在工业上具有广泛的应用前景。本文采用等离子体针装置在空气中产生了稳定的大气压等离子体羽,并利用光谱法对等离子体羽的振动温度和气体温度进行了研究。结果发现大气压空气等离子体羽的放电区域分为强光区和弱光区。放电发光信号是宽度为几个微秒的脉冲。研究结果表明等离子体振动温度随空间位置不同在2 500～3 000K范围变化。振动温度在强光区随着远离针尖距离的增大振动温度呈上升趋势,在5mm左右存在极大值,在弱光区随着远离针尖距离的增大振动温度呈下降趋势。与其相似,弱光区放电的气体温度随着远离针尖距离增大,从640K降低到540K。这些结果对大气压空气放电的工业应用具有重要意义。     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.