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。     

大气压直流激励空气等离子体羽发光的时空演化

在针-针电极结构的放电装置中以环境空气作为工作气体,大气压下产生了刷形等离子体羽。尽管使用的是直流电源,但放电发光呈现出脉冲性质,发光脉冲频率几乎不受气体流速的影响,但与电源输出功率成正相关关系。等离子体羽的长度与气体流速或者电源功率成正相关关系。通道出口附近,777.4 nm的氧原子谱线强度分布是非对称的,阴极附近处的谱线强度高于阳极附近处的谱线强度。远离通道出口位置,谱线强度逐渐趋于轴对称分布。电学特性和10 μs曝光高速影像结果表明,空气等离子体羽实际上是由拱形放电丝在远离通道出口的运动过程中叠加而成,同时放电从弧光放电丝向均匀辉光放电转化。     

放电等离子体高精度空间分辨光谱测量方法

放电等离子体光谱技术及激光诱导击穿光谱技术由于实验系统相对简单、信号强,很早就被应用于组分测量领域。由于自由放电在时间和空间上都具有随机性,这使得放电等离子体空间分辨光谱的精确测量变得十分困难;而激光诱导击穿光谱技术又局限于点测量。介绍了一种基于飞秒激光诱导的放电等离子体一维空间分辨光谱的高精度测量方法。飞秒激光自聚焦可以形成一段丝状弱等离子体通道,将该等离子体通道靠近高压直流脉冲电极时,可作为高压电极放电的触发源。这种触发方式可在规定的时刻触发高压电并诱导其沿着等离子体通道的路径击穿气体。实验多次测量放电开始时刻与激光到达时刻的时间间隔的波动小于0.01μs,证实了使用本方法诱导高压放电具有很高的重复性。由此可知,利用飞秒激光自聚焦成丝产生的弱等离子体通道诱导高压放电,可实现对高压放电的空间和时间的精确控制,进而可以采集放电等离子体通道的一维空间分辨光谱。实验结果表明,在喷管结构主导的流场环境中,由于喷管中纯N_2与喷管外空气的组分不同,在高空间分辨光谱中,可以清晰地看到一维等离子体通道上不同位置的组分浓度变化情况。在一维空间分辨光谱中将N~+和O光谱信号强度与N_2和O_2的浓度进行关联,可实现流场组分的一维在线诊断。该方法不仅具有纳秒激光诱导击穿光谱技术的相同优点,还具有一维空间分辨能力,在组分一维精确测量方面极具优势。同时,该方法还有望实现高时间分辨测量,对研究放电等离子体的时空演化过程具有重要的意义。     

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...     

脉冲等离子体推力器羽流沉积薄膜的结构与光学性质研究

为了研究脉冲等离子体推力器羽流污染特性,把握脉冲等离子体推力器羽流沉积薄膜性质,利用质谱仪对推力器羽流残余气体成分进行了分析,利用红外傅里叶光谱、光电子能谱及紫外可见光分光光度计对推力器羽流区阴极侧不同方位角处沉积薄膜的结构及光学性质进行了诊断研究结果表明,推力器羽流中主要存在C,F,CF,CF2和CF3气体分子;在各方位角处脉冲等离子体推力器羽流沉积生成了低氟碳比碳氟薄膜;沉积薄膜微观结构以30°角为界在羽流不同区域中具有不同的变化趋势;羽流沉积薄膜具有对波长小于500 nm的光低透射率及增强反射率的光学特性,受薄膜性质的影响,其光学特性具有极大的角度依赖性.     

空气中YAG激光诱导Cu等离子体空间特性的研究

在空气中利用Nd:YAG脉冲激光诱导金属Cu靶,产生激光等离子体羽,并获得等离子体羽的空间谱;研究了空间谱线结构;分析了不同空间位置处电子温度和电子密度的空间演化规律;并对等离子体光谱的特性和产生机制进行了讨论.结果表明:谱线结构、谱线强度和等离子体的电子温度及电子密度都与空间位置变化密切相关,特征谱强度最大值出现在距靶面0.75～1.0mm的空间位置处,此处CuⅠ谱线相对强度最强,在1.25mm空间位置处的电子温度比周边的电子温度偏低,但此处电子密度反而升高,这种现象可以由级联效应得到解释.     

空气中YAG激光诱导Cu等离子体空间特性的研究

在空气中利用Nd: YAG脉冲激光诱导金属Cu靶,产生激光等离子体羽,并获得等离子体羽的空间谱;研究了空间谱线结构;分析了不同空间位置处电子温度和电子密度的空间演化规律;并对等离子体光谱的特性和产生机制进行了讨论. 结果表明：谱线结构、谱线强度和等离子体的电子温度及电子密度都与空间位置变化密切相关,特征谱强度最大值出现在距靶面0.75-1.0mm的空间位置处,此处CuⅠ谱线相对强度最强,在1.25 mm空间位置处电子温度比周边的电子温度偏低,但此处电子密度反而升高,这种现象可以由级联效应得到解释。     

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。     

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.     

等离子体助燃旋流扩散火焰的光谱分析

介质阻挡放电(DBD)辅助燃烧是等离子体技术领域发展起来的新的应用途径.本文利用CCD相机及光谱仪记录并分析甲烷-空气旋流扩散燃烧火焰形态及特征光谱,研究了等离子体激励的助燃、稳燃机理,分析了不同激励方式对等离子激励效果的影响。实验结果表明,等离子体激励放电会产生大量的自由基及活性基团,如CH,OH,O~+,O原子的各激发态能级及N_2第一正带系等谱线,其中重点分析了加电前后及不同激励方式下O原子(3s~3S~0→3p~5P,λ=777.5 nm)及氮气第一正带系B~3Π_g→A~3∑_u~+粒子(振动带波长为λ=891.2 nm)发射光谱变化,由于氮原子与氧原子均为加速燃烧的重要活性粒子,这些基团的产生使得甲烷更容易发生一系列链式氧化反应。定常激励产生的活性粒子浓度大于未经过等离子体激励及非定常激励下所产生的活性粒子浓度;经过等离子体激励后火焰根部更靠近燃烧器喷嘴底部,说明等离子体激励产生的活性粒子加速了链式反应的进行,缩短了点火迟滞时间.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Characteristics of a large gap uniform discharge excited by DC voltage at atmospheric pressure

A large-gap uniform discharge is ignited by a coaxial dielectric barrier discharge and burns between a needle anode and a plate cathode under a low sustaining voltage by feeding with flowing argon. The basic aspects of the large-gap uniform discharge are investigated by optical and spectroscopic methods. From the discharge images, it can be found that this discharge has similar regions with glow discharge at low pressure except a plasma plume region. Light emission signals from the discharge indicate that the plasma column is invariant with time, while there are some stochastic pulses in the plasma plume region. The optical emission spectra scanning from 300 nm to 800 nm are used to calculate the excited electron temperature and vibrational temperature of the large-gap uniform discharge. It has been found that the excited electron temperature almost keeps constant and the vibrational temperature increases with increasing discharge current.Both of them decreases with increasing gas flow rate.