大气压氦氩混合气体介质阻挡放电电学和光谱特性研究

以聚对苯二甲酸乙二醇酯作为介质,在大气压下产生氦氩混合气体放电等离子体。利用电压电流探头、数字示波器和数码相机研究了聚对苯二甲酸乙二醇酯介质阻挡氦氩混合气体放电的电学特性和发光特性。发现随氩气含量增加,每半个电压周期出现一个或多个电流脉冲,放电由均匀放电转变为斑图放电。利用衍射光栅和CCD探测器组成的光谱系统测量了氩原子谱线（696.54, 763.13, 772.09, 811.17和911.81 nm）光谱强度。研究了氩气含量、峰值电压对氩原子谱线光谱强度的影响。实验结果表明：在峰值电压较低时,上述五条氩原子谱线光谱强度随氩气含量的增加均呈现先增强-后减弱-再增强的变化规律;在峰值电压较高时,波长为696.54, 763.13和772.09 nm三条谱线光谱强度增强,波长为811.17和911.81 nm谱线光谱强度减弱。上述情况表明：在低峰值电压下,上述五条氩原子谱线光谱强度的变化规律是由于在放电过程中放电模式发生了变化;而在髙峰值电压下,五条谱线强度变化与气体激发机制有关。在氩气含量低于30%或高于80%时,氩原子谱线光谱强度随峰值电压的增加先保持不变,再增强到稳定值;在氩气含量介于30%～80%之间时,氩原子谱线光谱强度随峰值电压的增加也呈现先增强-后减弱-再增强的变化规律;利用玻尔兹曼图形法计算了氩原子放电的电子激发温度,得到了不同峰值电压下电子激发温度随氦气/氩气比例变化的规律：高峰值电压下电子激发温度明显高于低峰值电压下电子激发温度;电子激发温度随氩气含量增加而减小。出现上述变化规律的原因主要是由于电子与氦原子碰撞截面小,电子与氩原子碰撞截面大,而氦气扩散系数大于氩气扩散系数。     

离子液体在大气压等离子体中稳定性研究

采用发射光谱、紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱和核磁共振技术分析1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐（[Bmim]HSO₄）, 1-丁基吡啶硫酸氢盐（HSO₄）和1-丁基-3-甲基咪唑四氟化硼（[Bmim]BF₄）三种离子液体在大气压介质阻挡放电氩等离子体体系中的稳定性,并分别以上述三种离子液体为辅助液采用大气压介质阻挡放电等离子体技术制备TiO₂,进一步研究三种离子液体在等离子体中的稳定性对所制备的TiO₂晶相结构的影响。结果表明：向大气压介质阻挡放电氩等离子体中分别引入[Bmim]HSO₄,HSO₄和[Bmim]BF₄离子液体后并未改变氩等离子体放电光谱谱峰的位置和数量且没有新的谱峰生成,但谱峰强度都明显降低,说明上述三种离子液体没有在等离子体区蒸发形成激发态物种;[Bmim]HSO₄和HSO₄放电前后的红外吸收光谱基本一致,表明离子液体在放电后的化学键未发生改变;[Bmim]HSO₄和HSO₄的紫外可见吸收光谱显示其吸收峰的位置和强度未发生改变,说明两种离子液体在等离子体作用后的结构是稳定的;[Bmim]BF₄放电前后的红外吸收光谱各个特征峰并无明显差异,但其紫外可见吸收光谱图谱吸收峰的位置却发生较大的偏移,进一步对放电前后的[Bmim]BF₄离子液体进行核磁共振分析,两者的1H NMR峰数相同,但放电后的离子液体化学位移向高位偏移大约0.2单位,说明其化学环境发生了变化,表明有部分[Bmim]BF₄结构发生改变。光谱和核磁共振技术分析表明离子液体[Bmim]BF₄在等离子体作用后结构发生了改变。采用三种离子液体辅助大气压介质阻挡放电等离子体技术制备TiO₂样品的X-射线衍射分析结果表明 [Bmim]HSO₄和HSO₄辅助制备的HSO₄-TiO₂和[Bmim]HSO₄-TiO₂,谱图与锐钛矿相TiO₂标准谱图基本一致,表明所制备的TiO₂为纯锐钛矿型。而[Bmim]BF₄辅助制备的[Bmim]BF₄-TiO₂在2θ=24.1°处的衍射峰向小角度偏移,2θ=48°处的衍射峰向大角度偏移,说明[Bmim]BF₄在辅助制备TiO₂过程中,F进入TiO₂的晶格,破坏了TiO₂原子间的平衡状态,生成了F掺杂TiO₂光催化材料。F掺杂TiO₂光催化材料的形成也间接证明了离子液体[Bmim]BF₄在大气压等离子体中的不稳定性,此结果与核磁共振及紫外可见光的检测结果相一致。同时说明离子液体在等离子体的作用下对于纯锐钛矿晶格的形成和促进高活性掺杂型的光催化材料具有重要作用。为等离子体辅助离子液体制备高性能纳米材料提供重要的实验和理论依据。     

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。     

同轴介质阻挡放电中活性粒子的光谱检测

同轴介质阻挡放电具有广泛的应用前景。采用光学方法,利用水电极介质阻挡放电装置,对空气同轴介质阻挡放电特性及活性粒子光谱强度进行了研究。光谱测量结果发现放电发射谱中存在777.5和844.6nm的氧原子谱线,表明等离子体中产生了高化学活性的氧原子。测量了放电中氧原子谱线强度随物理参数(外加电压、流量和含量)的变化关系。结果发现氧原子谱线强度随着外加电压的增加而增强;随着流量或氩气含量(空气中混入少量氩气)的增加,谱线强度先增大后减小,当流量为30L.min-1或者氩气含量为16.7%时氧原子谱线强度达到最大值。     

利用发射光谱进行常压介质阻挡放电等离子体诊断及其在材料表面改性上的应用(英文)

使用介质阻挡放电光谱诊断装置,对常压介质阻挡放电在材料改性过程中的等离子体发射光谱进行测量,记录和比较了空气、氦气和氩气常压介质阻挡放电等离子体发射光谱,并运用氩元素谱线的相对强度来诊断电子温度等物理参量,以达到对材料表面改性过程的实时监控。工作的结果对常压介质阻挡放电及其在材料改性上的应用具有重要的意义     

介质阻挡放电六边形斑图稳定过程的光谱研究

采用发射光谱法,首次研究了等离子体参数及激发状态对介质阻挡放电六边形斑图稳定性的影响。在氩气/空气混合气体的介质阻挡放电中,随着电压的升高,放电丝直径增大,六边形斑图逐渐稳定,同时放电颜色由紫色逐渐变为灰白色,说明其等离子体状态及参数可能发生了变化。测量了六边形斑图放电过程中氮分子谱线和氩原子谱线相对于氩原子763.51 nm的相对强度、分子振动温度和电子激发温度随外加电压的变化。结果发现：氮分子谱线相对强度随电压增加而降低,氩原子谱线相对强度却升高;分子振动温度与电子激发温度均随电压增加而增大。这些现象表明：随着电压增大,电子能量增加。由此,氩原子激发增多,放电丝直径增大,介质表面上沉积的壁电荷面积增大,放电丝之间的相互作用增强,六边形斑图趋于稳定。     

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.     

大气压氩气环境下体积介质阻挡放电光谱特性

通过介质阻挡放电产生的等离子体可与燃料中的烃类分子发生碰撞裂解反应,将燃料分子裂解生成更容易起爆的氢气和小分子烃类,能有效改善液体燃料连续旋转爆震发动机的起爆性能。该研究在真空仓中开展体积介质阻挡放电的丝状放电光谱测试,分析了大气压氩气环境下体积介质阻挡放电的电子激发温度和电子密度随加载电压的变化规律。丝状放电的电子激发温度通过波尔兹曼斜率法计算,电子密度采用斯塔克展宽法计算。发现发射谱线均由氩原子4p-4s能级跃迁产生;各谱线强度随加载电压的提高均呈上升趋势,且与电压基本呈线性关系;对于大气压丝状放电,加载电压对电子激发温度和电子密度没有明显影响作用,加载电压12.5～14.5 kV范围内,电子激发温度稳定在3 400 K附近,电子密度在1025 m-3量级。     

大气压冷等离子体喷枪气体温度的比较研究

采用介质阻挡放电等离子体喷枪装置,在大气压下流动气体(氩气和痕量氮气)中产生了稳定的喷射等离子体.通过拍摄喷枪发光照片,研究了喷射等离子体长度随气体流量的变化关系.利用高分辨率光谱仪采集等离子体羽处的发射光谱,通过对发射光谱中N+2的第一负系(B 2Σ+u→X 2Σ+g,390～391.6 nm)谱线拟合得到了射流等离...     

大气压介质阻挡放电超四边形斑图的等离子体参量

本工作利用双水电极介质阻挡放电装置,采用发射光谱方法,在大气压氩气介质阻挡放电中研究了由不同空间尺度 微放电通道构成的超四边形斑图的等离子体参量.实验发现直径较大的微放电通道(大点)和直径较小的微放电通道(小点)亮度不同.采用氮分子第二正带系谱线计算了分子振动温度,利用谱线强度比方法得到了电子激发温度,用氩原子696.54 nm谱线的Stark展宽估算了电子密度.结果显示小点的电子密度和分子振动温度均高于大点,而电子激发温度低于大点.这说明稳定超四边形斑图中不同尺度微放电的等离子体状态不同.     

大气压氩直流微放电光谱研究

微空心阴极放电或微放电是一种能够实现高气压下放电的有效方法。利用不锈钢空心针作阴极,不锈钢网作阳极,进行了大气压氩直流微放电实验研究。测量了大气压氩微放电光谱,发现氩气的发 射谱线主要集中在690～860 nm范围,且全部为氩原子4p—4s的跃迁。实验研究了不同放电电流、气体压强、气体流量与谱线强度之间的关系,发现谱线强度随放电电流、气体流量增加均增加,而谱线强 度随压强变化呈现不同特征：谱线强度随压强的增加先增加后降低,在13.3 kPa时强度最大。此外,选用跃迁波长为763.51和772.42 nm的两条光谱线,利用发射谱线强度比值法测量了氩气微放电等离子 体的电子激发温度。结果显示,其电子激发温度处于2 000～2 800 K之间,且随放电电流的增加而增加,随气体压强和气体流量的增加而降低。     

Excitation of Doubly‐Charged Ion Emission Lines from a Grimm‐Style Glow Discharge Plasma—Comparison Between Yttrium and Zirconium

Spectra of yttrium and zirconium emitted from a Grimm‐style glow discharge plasma were investigated to elucidate the excitation mechanism of doubly‐charged ionic lines when using argon–helium mixed gas as well as argon gas alone. The energy sum for exciting doubly‐charged ion species of yttrium is slightly smaller compared to the case of zirconium, which yields an interesting correlation in the excitation energy between their ionic species and excited species of helium or argon. The Y III emission lines which were assigned to the 4p⁶5p–4p⁶5s(4p⁶4d) transitions could be observed in the argon–helium mixed gas plasma, but those were hardly excited with argon gas only. The Zr III emission lines did not appear in the spectra emitted by the argon gas plasma nor by the mixed gas plasma. A possible explanation for these phenomena is that the excitation of these ionic species is caused principally by collisional energy transfer from helium species to the analyte atoms.     

Optical emission spectroscopy of the sputtering process in the triode system

The results of spectroscopic investigation of plane plasma discharge and sputtering processes in the triode system are presented. The forced electric discharge with currents of 1–4 A at an argon pressure of 1 mTorr was studied using the emission spectroscopy method. The spectra of plasma discharge were observed in the 200–1100 nm wavelength range. Two metal targets, gold and silver, were used for sputtering. It was found that a part of sputtered particles is ionized in plasma. The emission spectra of the ionized gold and silver species were observed as a function of target voltage while sputtering. It was shown that the number of ionized metal species depends on the energy of argon ions.     

发射光谱研究氩气/空气混合气体介质阻挡放电能量传递过程

使用水电极介质阻挡放电装置,对比氩气与氩气/少量空气的混合气体以及空气与空气/少量氩气的混合气体放电的发射光谱,研究了氩气与空气相混合时气体放电中的能量传递过程。实验发现, 当氩气中加入少量的空气时,氩原子谱线均变弱,说明空气中的氮分子对氩原子的各激发态具有猝灭作用。并且随着空气含量的增加,各谱线变弱的速率不同。越是与氮分子的激发电位接近的氩原子的激发态被猝灭的作用越明显。另一方面,当空气中加入少量氩气时,发现氮分子第二正带系和氮分子离子第一负带系的谱线均被增强。说明在空气/少量氩气放电中,氮分子的激发由于亚稳态氩原子的潘宁激发传能而增强。因此在氩气/空气混合气体放电中,气体成分及比例影响放电的发光特性和能量传输特性。     

氩气含量对空气介质阻挡放电发射光谱的影响

利用介质阻挡放电实验系统测量了空气介质阻挡放电的发射光谱,研究了氩气含量对空气介质阻挡放电发射光谱的影响.在280～500 nm波长范嗣内,发现了氮分子第二正带系N2(C3∏u-B3∏g)的谱线和氮分子离子的第一负带系N2+(B3∑u+-X2∑g+)的谱线.在相同条件下加入10%氩气后,起始放电电压由26kV降低到23...     

氩气含量对空气介质阻挡放电发射光谱的影响

利用介质阻挡放电实验系统测量了空气介质阻挡放电的发射光谱,研究了氩气含量对空气介质阻挡放电发射光谱的影响。在280~500 nm波长范围内,发现了氮分子第二正带系Ｎ₂(Ｃ 3Π_ｕ-Ｂ 3Π_ｇ)的谱线和氮分子离子的第一负带系N+₂(B 3Σ＋_ｕ-Ｘ 2Σ＋_ｇ)的谱线。在相同条件下加入10%氩气后,起始放电电压由26 kV降低到23 kV,介质阻挡放电和发射光谱强度都增强,谱线的半宽明显加大。随氩气含量的增加,各个氮分子第二正带系谱线强度的变化趋势不同,而两条氮分子离子第一负带系谱线391.44和427.81 nm的光谱强度都是降低的。     

发射光谱研究大气压等离子体射流的气体温度

采用介质阻挡放电等离子体喷枪装置,在大气压下流动氩气中产生了射流等离子体。利用光电倍增管,对射流等离子体进行了时空分辨测量,分析了等离子体喷枪内介质阻挡放电和外部等离子体羽的放电特性。利用高分辨率光谱仪采集等离子体羽处的发射光谱,通过对发射光谱中OH(A2Σ+→X2Π,307.7～308.9nm)及N2+的第一负系(B2Σ+u→X2Π+g,390～391.6nm)谱线拟合得到了射流等离子体的转动温度,拟合得到的转动温度分别为443和450K。在5%的误差范围内,这2种方法得到的结果是一致的。由于在大气压下,转动温度近似等于产生气体放电的气体温度,所以可以确定大气压射流等离子体气体温度。利用该方法研究了不同电压下的气体温度,发现气体温度随着外加电压增加而增大。     

Two-Photon Laser-Induced Fluorescence Spectra of Argon in a Grimm-Style Glow Discharge Tube

Two-photon excited laser-induced fluorescence (LIF) spectra of argon atom were successfully observed in a Grimm-style glow discharge tube, which has widely been applied to depth profiling of the elemental composition on various film-like samples by emission spectrometry. The LIF signal of an argon atomic line at 641.63 nm was observed when the glow discharge argon plasma was illuminated by a pulsed Ti:sapphire laser radiation of 7–10 mJ/pulse at 753.39 or 795.66 nm without focusing of the laser beam.