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。     

光谱方法研究大气压氩气等离子体喷枪的放电特性

利用同轴介质阻挡放电喷枪,通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。等离子体羽沿气流方向较为均匀,但在喷嘴处为白色且亮度较高,远离喷嘴处为蓝色,亮度较低。研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、驱动频率和气体流速的关系,气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大,而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。当气流保持恒定时,等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响,对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲,而负半周期没有发光信号。同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲,负半周期有一个发光脉冲。通过对该N₂现象的分析,为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱,研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N₂的发射谱线外,其发射光谱没有明显差别。利用光学发射谱N+₂第一负带系,对等离子体羽转动温度进行了测量,发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低,且转动温度随电压幅值的增大而增大。     

较大体积的大气压空气介质阻挡放电特性研究

利用三电极介质阻挡放电装置, 在主放电区产生了较大体积的大气压空气均匀放电. 利用光学与电学方法, 对主放电特性进行了研究, 发现随驱动功率的不同, 主放电存在等离子体羽和等离子体柱两种模式, 等离子体羽的击穿电压随外加电压峰值的增加而减小. 利用光电倍增管对两种放电模式进行了空间分辨测量, 发现等离子体羽是以发光光层的形式传播, 而等离子体柱是连续放电. 通过采集两种放电的发射光谱, 对其振动温度和转动温度进行了测量. 发现两种放电模式的振转温度均随着U_p的增大而降低. 关键词： 介质阻挡放电 等离子体羽 等离子体柱 发射光谱     

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。     

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。     

棒-环电极大气压等离子体射流的光谱特性

通过设计新型的交流电压激励的氩气等离子体射流,在棒电极的上游与下游区域均产生了大气压非平衡态等离子体羽。该射流与平行场射流和交叉场射流不同,它的电场与气流方向的夹角可以在一定范围内变化。结果表明,随着外加电压或夹角的增加,上游羽的长度增加而下游羽的长度减小。利用光学和电学的方法,研究发现随着外加电压的增加,上下游放电脉冲的个数均增加。利用放电的光学发射谱,发现上游羽有Ar和OH的谱线,而下游羽除了Ar和OH的谱线外,还可以观察到N₂的谱线。并且下游羽的谱线强度比上游羽的略高。基于碰撞辐射模型,通过谱线强度比的方法研究了上下游羽的电子密度和电子激发温度。结果表明上下游羽的电子密度随着外加电压的增加而增加。上下游羽的电子激发温度也随着外加电压的增加而增加。并且,在同一外加电压时下游羽的电子密度和电子激发温度均比上游羽的高。此外,利用OH发射光谱研究了上下游羽的气体温度,发现下游羽的气体温度也比上游羽的略高。     

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。     

大气压下氩原子谱线辐射诊断试验研究

大气压下介质阻挡放电应用领域具有多范畴、深广度、常态化等优势,针对同轴电极放电试验进行了系列参数诊断。采用自主研发的介质阻挡放电助燃激励器,在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV(间隔1.0 kV)条件下进行了氩气电离试验。采用原子发射光谱法(AES)对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;选用二谱线法及Boltzmann法测试了电子激励温度;根据Stark展宽效应计算了电子密度;获得了电子激励温度及电子密度随放电峰值电压增长的变化规律。结果表明,在试验电压条件下电子激励温度并不随外加电压的升高而递增,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外部电压的供给,而是取决于气体组份、气体压强和放电模型,增大外加放电电压仅增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500 K符合典型的低温等离子体特征;电子密度随外加电压的增长而趋于准线性趋势,电子密度数量级可达到108～109 cm-3,电离度偏弱。这些参数的探索对等离子体研讨有重大意义。     

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。     

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。     

光谱法研究低气压空气介质阻挡放电均匀性

利用介质阻挡放电装置.在低气压空气中得到了均匀放电,并采用光谱法,研究了放电等离子体温度的空间均匀性.实验采集了氮分子光谱,采用氮分子第二正带系C3Ⅱu→B3Ⅱg计算振动温度;采用氮分子离子第一负带系计算转动温度(气体温度).实验发现,振动温度随电压增加而减小,而转动温度随电压增加而增大.等离子体振动温度和转动温度在空...     

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。     

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。     

大气压放电等离子体柱的光谱研究

大气压放电等离子体柱在飞行器隐身技术方面具有非常重要的应用。利用同轴介质阻挡放电水电极装置,大气压下在氩气中放电产生了长达65 cm的均匀等离子体柱。利用光学方法研究了等离子体柱的放电机理为发光子弹传播。通过测量发现该子弹的传播速度约为0.6×105 m·s-1。采用发射光谱法测量了等离子体柱的发射光谱中谱线强度比随外加电压和驱动频率的变化关系,其相对强度之比表征了电子平均能量。结果表明电子平均能量随外加电压和驱动频率的增加而增加。本工作对大气压下气体放电的工业应用具有一定的意义,在军事飞行器隐身方面具有广阔的应用前景。     

大气压氩气刷形等离子体羽的特性研究

大气压非平衡低温等离子体在生物医学和表面处理等方面具有广泛的应用前景,引起研究者的关注.等离子体射流是产生大气压非平衡等离子体的重要方式,但通常产生的等离子体羽尺度较小.针对于此,本文采用一个具有三电极的介质阻挡放电装置,在交流电压与负偏置电压的共同作用下,在流动氩气的下游产生了大尺度刷状等离子体羽(50.0 mm × 40.0 mm).结果表明,随着交流电压峰值的增加,等离子体羽的亮度增大.通过快速影像,研究发现视觉均匀的等离子体羽是由分叉流光的时间叠加构成的.电压和发光信号波形表明交流电压的每个周期放电一次,且放电出现于外加电压的正半周期.随着交流电压峰值的增加,分叉流光的分叉数量增多,导致放电脉冲的持续时间增加且脉冲强度增强.利用光谱仪测量了 300—850 nm的发射光谱,发现谱线包括308.0 nm处的OH (A~2E~+—X~2Π),N_2 (C~3Π_u—B~3Π_g)的第二正带系,Ar I (4p—4s)以及844.6 nm处的O I (3p~3 P—3s~3 S).基于发射光谱,研究了分子振动温度及谱线强度比随实验参数的变化关系.结果表明,电子温度、分子振动温度和电子密度具有相似的变化趋势.利用光化线强度比的方法,研究了等离子体羽中氧原子浓度随实验参数的变化.结果表明氧原子浓度沿气流方向先增加后降低,随工作气体中氧气含量的增加先增加后降低.此外,氧原子浓度随交流电压峰值的增大而增加,并对氧原子浓度的变化进行了定性的解释.     

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。     

大气压等离子体射流中振转温度的发射光谱研究

通过发射光谱对大气压氦等离子体射流三个不同位置进行测量, 并采用光谱拟合获得氮气分子振转温度的方法, 研究了放电电压和气体流量以及离喷口的距离对射流的温度和化学活性的影响。发现大气压等离子体射流的气体温度和振动温度均随着放电电压增加而升高, 随着气体流量的增大而降低, 随着离喷口距离的增加而降低并逐步趋于稳定。通过对等离子体射流中振动温度的变化趋势并结合活性成分氧原子光谱强度的变化证实了等离子体射流的活性亦随着气体流量及离喷口距离的增大而降低, 随着放电电压增加而升高的结论。     

Ar/H2O大气压等离子体射流放电特性

为了研究水蒸气体积分数对大气压等离子体射流放电机理及放电效率的影响,进而产生高活性低温等离子体并优化其效率。通过对大气压氩水等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了不同水蒸气体积分数时,等离子体射流的放电特性。通过计算放电功率、传输电荷量、电子激发温度、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量,研究了它们随水蒸气体积分数的变化趋势,并结合放电机理对所得实验结果进行分析。结果表明,Ar/H2O等离子体射流除了产生N2和Ar,还有OH和O,气体温度在525~720 K之间变化,为典型的低温等离子体;随着水蒸气体积分数的增加,等离子体羽喷出管口的长度减小,放电功率减小,发光强度减弱,转动温度和振动温度增加;相同功率下,水蒸气体积分数为0.5%时,产生的OH达到最大。     

不同频率驱动下容性耦合Ar等离子体随气压变化的放电特性

讨论了在驱动频率分别为13.56MHz、40.68MHz、94.92MHz和100MHz,功率为40W,气压由3.3～26.6Pa下的容性耦合Ar等离子体的放电特性。利用光谱相对强度法分别诊断了电子激发温度和电子密度。采用粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模型(PIC/MCC),模拟了上述实验条件下中心处电子密度和电子能量概率分布(EEPF)。结果表明,在每一个驱动频率下,电子密度均随放电气压的增加而增加,而电子温度则随气压增加而降低。驱动频率为13.56MHz和40.68MHz的电子密度随气压变化趋势几乎一致,而94.92MHz和100MHz的电子温度则随气压变化趋势几乎一致。通过比较EEPF,电子温度随气压的增加有下降的趋势,与光谱诊断结果基本吻合。     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。