介质阻挡放电蜂窝斑图形成过程的光谱研究

采用光谱法, 研究了氩气/空气混合气体介质阻挡放电中蜂窝斑图形成过程中等离子体参量的变化。实验发现,随着电压的增加,放电经历六边形点阵斑图及疏密点同心圆环斑图后,形成了蜂窝斑图。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线、氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)与772.13 nm(2P₂→1S₃)两条谱线强度比法和氩原子696.57 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽,分别研究了上述三种斑图的分子振动温度、电子激发温度和电子密度。结果发现：蜂窝斑图的分子振动温度和电子激发温度均高于六边形点阵斑图相应的温度,但其电子密度却比后者的电子密度低。实验还通过电容法,测量了放电斑图的放电功率,发现蜂窝斑图的放电功率远远高于六边形点阵斑图的放电功率。工作结果对于研究介质阻挡放电自组织斑图的形成机制具有重要意义。     

介质阻挡放电中单晶胞白眼斑图的光谱研究

在介质阻挡放电系统中,空气和氩气混合气体的实验条件下,第一次实现了只具有一个单元结构的白眼斑图。该斑图的结构从中心位置向外依次为：中心点,围绕中心点的环和环外六个点。由于出现该单晶胞白眼斑图时的电压较低,而本实验采用的水电极中的水的比热容大,具有良好的吸热性,这使斑图在放电过程中放电气隙间的气体的温度没有升高,并且放电现象没有发生变化。因此在实验过程中,单晶胞白眼斑图在长时间放电的情况下并没有使其等离子体状态发生改变。由普通照相机所拍摄的图片可以看到,单晶胞白眼斑图的中心点,围绕中心点的环和环外六个点的亮度有明显不同。在不同压强下该斑图的稳定性有所不同,并且中心点,围绕中心点的环和环外六个点的亮度随压强的变化有所不同。鉴于此,本实验采用了发射光谱法,研究了单晶胞白眼斑图中不同位置处(中心点、环及外围六个点)的等离子体温度随压强的变化关系。其中,分子振动温度使用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线来计算;电子激发温度利用氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)与772.13 nm(2P₂→1S₃)两条谱线强度值进行比较的方法进行研究;电子密度利用氩原子696.57 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽来测量。发现在同一实验条件下,单晶胞白眼斑图的中心点的电子激发温度、电子密度和分子振动温度均最低,环外六个点相应的电子激发温度、电子密度和分子振动温度次之,环相应的电子激发温度、电子密度和分子振动温度均最高;随着气体压强从40 kPa增大到60 kPa,单晶胞白眼斑图不同位置处的电子密度增高但分子振动温度和电子激发温度均降低。本实验结果有助于进一步研究自组织斑图形成的机制。     

介质阻挡放电白眼六边形斑图等离子体温度研究

利用水电极介质阻挡放电装置,在不同氩气含量的气体放电中,首次观察到了白眼六边形斑图,此斑图的白眼晶胞都是由点、环和晕三层结构组成的, 且其放电稳定性和持续性极好。从照片中可以观察到这三种结构有明显的亮度差异,说明白眼晶胞中点、环和晕可能处于不同的等离子体状态,同时在不同氩气含量下,白眼晶胞的颜色和亮度都有明显的差异,说明白眼晶胞的等离子体状态也有所不同。由于此次研究的白眼六边形斑图是在较低的电压下得到的,使得水电极的温度没有升高且放电现象没有发生变化,因此在实验过程中长时间的放电没有影响该斑图的等离子体状态。为此,本小组采用发射光谱法,研究了此斑图的白眼晶胞中的点、环和晕的两种等离子体参数：分子振动温度和电子密度随氩气含量的变化关系。利用氮分子第二正带系(C3Πu→B3Π_g)的发射谱线,计算了白眼晶胞中的点、环和晕的分子振动温度;实验采集了Ar Ⅰ(2P₂→1S₅)的发射谱线,通过白眼晶胞中的点、环和晕的谱线展宽随氩气含量的变化,来反映白眼晶胞的三层结构的电子密度的变化。实验发现：在同一氩气含量条件下,白眼晶胞中点、环和晕的分子振动温度从大到小为：晕、环、点,而电子密度从大到小为：点、环、晕;随着氩气含量从70%增大到90%,点的分子振动温度及电子密度均增加;环的分子振动温度基本保持不变,而其电子密度减小;晕的分子振动温度及电子密度均减小。实验结果说明白眼晶胞中的点、环和晕的等离子体状态不同。本工作结果,对于研究介质阻挡放电中具有多层结构的自组织斑图有重要意义。     

介质阻挡放电中超四边斑图沿面放电的光谱研究

利用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体中,首次观察到了超四边斑图沿面放电,它是由中心点和暗点组成的。通过观察普通相机的斑图照片,可以发现中心点位于周围四个暗点的中心处。利用高速录像机对斑图进行短曝光拍摄,观察发现中心点对应体放电,暗点对应沿面放电,暗点由这些沿面放电形成。中心点和暗点的亮度有所不同,这说明中心点和暗点的等离子体状态可能不同。采用发射光谱法,研究了超四边斑图沿面放电的的中心点和暗点的等离子体参量随氩气含量的变化趋势。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)发射谱线,计算得出了中心点和暗点的分子振动温度; 然后通过氩原子696.57 nm (2P₂→1S₅)谱线的展宽,研究了中心点和暗点的电子密度。实验结果表明： 在相同氩气含量下,暗点的分子振动温度和电子密度均高于中心点的相应等离子体参量; 在其他实验条件不变的情况下,随着氩气含量从90%增大到99.9%,中心点和暗点的分子振动温度和电子密度均逐渐增大。结果表明中心点和暗点的等离子状态不同,说明二者的放电机制可能不同。     

压强对空气/氩气介质阻挡放电中等离子体温度的影响

使用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体放电中,利用发射光谱法,研究了电子激发温度和分子振动温度随气体压强的变化关系。通过氩原子763.51 nm(2P₆→1S₅)和772.42 nm(2P₆→1S₃)两条谱线强度比法计算电子激发温度;通过氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算氮分子的振动温度;对氮分子离子391.4 nm和激发态的氮分子337.1 nm两条发射谱线的相对强度进行了测量,以进一步研究电子能量的变化。实验表明,随着压强从20 kPa增大到60 kPa, 电子激发温度减小,分子振动温度减小, 氮分子离子谱线与激发态的氮分子谱线强度之比减小。     

复杂结构自组织等离子体光子晶体光谱研究

利用双水电极介质阻挡放电装置,在气体放电中产生了一种由放电丝自组织形成的复杂结构等离子体光子晶体。该晶体结构由许多四边形的晶胞组成,每个晶胞包括大点、两种不同的小点和线,分别对应粗等离子体柱、两种细等离子体柱和等离子体片。采用发射光谱法,对不同位置处的等离子体状态进行了研究,对比了其电子密度和分子振动温度。具体方法是通过氩原子696.54 nm(2P₂→1S₅)的发射谱线测量谱线展宽进而对比电子密度,通过氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算分子振动温度。结果发现：四种不同位置的等离子体具有不同的电子密度和分子振动温度,即它们各自处于不同的等离子体态。电子密度按照降序排列顺序依次为：中心粗等离子体柱四周的细等离子体柱、粗等离子体柱、边缘处的等离子体片、等离子体片交叉点处的细等离子体柱;分子振动温度的变化趋势与电子密度相反。由于等离子体电子密度不同,对光的折射率也不同,因此在该晶体结构中,粗等离子体柱、两种细等离子体柱以及等离子体片具有不同的折射率,它们和周围未放电的区域自组织形成具有五种折射率的复杂结构等离子体光子晶体。该等离子体光子晶体易于产生,具有结构多样、分析简单的优点,具有广泛的应用前景。     

氩气含量对介质阻挡放电中单丝等离子体温度的影响

在空气与氩气组成的混合气体放电中,首次研究了由中心点和外层晕组成的单丝。从照片中观察单丝结构,发现混合气体中氩气所占的比例越重,单丝的直径随之越小,同时中心点和外层晕的亮度有明显的差异,说明中心点和外层晕可能处于不同的等离子体状态。实验对单丝结构进行了光学时空分辨测量,研究了中心点和外层晕两层结构的微观特性。利用发射光谱法,详细地研究了该单丝结构的中心点和外层晕的等离子体参数随氩气含量的变化关系。实验根据氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)谱线计算了中心点和外层晕的分子振动温度;通过氮分子离子N+₂(391.4 nm) 第一负带系谱线与氮分子N₂(394.1nm)谱线强度比,反映中心点和外层晕的电子平均能量随氩气含量的变化关系;利用氩原子763.2 nm(2P₆→1S₅)和772.077 nm(2P₂→1S₃)两条谱线的相对强度比法,估算了中心点和外层晕的电子激发温度。结果表明：中心点的光信号对应着第一个电流脉冲, 且其光信号较弱;而外层晕的光信号同时对应着第一个和第二个电流脉冲, 且其光信号较强。在相同的氩气含量条件下,外层晕比中心点的分子振动温度、电子平均能量以及电子激发温度均要高。随着氩气含量从30%逐渐增大到50%,中心点和外层晕的分子振动温度是逐渐减小的,而电子平均能量和电子激发温度均是逐渐增大的。     

压强对介质阻挡放电中八边形结构等离子体温度的影响

利用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体中,首次观察到了由点和线组成的八边形结构。采用发射光谱法,研究了八边形结构中的点和线的等离子体温度随压强的变化关系。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π几_g)的发射谱线,计算了点和线的分子振动温度;通过氮分子离子391.4 nm和氮分子394.1 nm两条发射谱线的相对强度比,研究了点和线的电子平均能量大小变化;利用氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)和772.13 nm(2P₂→1S₃)两条谱线强度比法,得到了点和线的电子激发温度。实验发现：在同一压强条件下,线比点的分子振动温度、电子平均能量以及电子激发温度均高;随着气体压强从40 kPa增大到60 kPa,点和线的分子振动温度、电子平均能量以及电子激发温度均减小。     

大面积沿面放电等离子体温度的光谱研究

设计了水电极放电装置,在空气/氩气混合气体中实现了大面积沿面放电。采用发射光谱法,对分子振动温度、电子平均能量和电子激发温度等随气压的变化进行了研究。根据氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算出氮分子的振动温度;使用Ar 763.51 nm(2P₆→1S₅)和772.42 nm(2P₂→1S₃)的两条发射谱线的强度比得到电子激发温度;通过氮分子离子391.4 nm和氮分子337.1 nm两条发射谱线的相对强度之比得出了电子的平均能量的变化。实验研究了发射光谱随气压的变化,发现其强度随着气压的增加而增强,且其整个轮廓和谱线强度之比也发生变化。随着气压从0.75×105Pa升高到1×105Pa,分子振动温度、电子激发温度和电子能量均呈下降趋势。     

介质阻挡放电中亮暗点超六边形斑图的光谱研究

采用双水电极介质阻挡放电装置,在空气和氩气的混合气体中,首次研究了由中心亮点和暗点组成的亮暗点超六边形斑图。通过观察斑图照片,可以发现暗点位于周围其他三个亮点的质心处,并且亮点和暗点的亮度有所不同,这说明亮点和暗点的等离子体状态可能不同。利用发射光谱法,研究了亮暗点超六边形斑图中亮点和暗点的等离子体参量随氩气含量的变化趋势。首先通过采集氮分子（N₂）第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)发射谱线,计算出了亮点和暗点的分子振动温度; 之后利用氮分子离子391.4 nm和氮分子394.1 nm两条发射谱线的相对强度之比,得到了此斑图中亮点和暗点的电子平均能量; 最后通过氩原子696.57 nm（2P₂→1S₅）谱线的展宽,研究了此斑图中亮点和暗点的电子密度。实验结果发现： 在同一氩气含量下,亮暗点超六边形斑图中暗点的分子振动温度、电子平均能量和电子密度均高于亮点的相应等离子体参量; 保持其他实验参数不变,随着氩气含量从70%变化到95%,亮点和暗点的分子振动温度和电子密度均是逐渐增大的,而电子平均能量则是逐渐减小的。亮点和暗点的等离子状态的不同,说明二者的放电机制可能不同。进一步采用高速录像机对斑图进行短曝光拍摄,发现亮点存在沿面放电,这些沿面放电交汇形成暗点。     

介质阻挡放电三层放电气隙放电丝的光谱特性研究

在空气与氩气组成的混合气体的介质阻挡放电实验中,采用发射光谱法,首次研究了放电气隙分别为：1, 4和2 mm三层放电气隙中的放电丝的光谱特性。这与以往的单层放电气隙或者是双层放电气隙中的放电丝在光谱特性方面有很大的不同。实验通过采集氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)谱线,计算出不同放电气隙中的放电丝的分子振动温度。利用氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子394.1 nm谱线的强度之比得到不同放电气隙中放电丝的电子平均能量。增加氩气在混合气体中的比例,得到分子振动温度及电子平均能量随着氩气含量增加的变化趋势。实验结果表明：在同一氩气含量下,分子振动温度从小到大的顺序为：2 mm放电气隙,1 mm放电气隙,4 mm放电气隙。电子平均能量从小到大的顺序为：4 mm放电气隙,2 mm放电气隙,1 mm放电气隙。三层放电气隙中放电丝的分子振动温度及电子平均能量均随着氩气含量的增加而减小。     

介质阻挡放电中两种亮暗点菱形斑图的光谱研究

空气和氩气混合气体的双水电极介质阻挡放电装置中,在电压升高过程中首次发现了两种由亮点和暗点组成的亮暗点菱形斑图。通过观察斑图照片可以发现： 第一种菱形斑图(菱形斑图Ⅰ)中的暗点处于由亮点组成的菱形单元的中心;第二种菱形斑图(菱形斑图Ⅱ)中的暗点恰好处于周围其他三个亮点的中心位置。利用发射光谱法,通过采集氮分子(N₂)第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)发射谱线和氩原子696.54 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽,研究了两种菱形斑图中亮点和暗点的分子振动温度和电子密度。实验发现： 两种菱形斑图中暗点的分子振动温度均高于亮点,相对菱形斑图Ⅰ来说,菱形斑图Ⅱ中的亮点和暗点的分子振动温度均升高;而菱形斑图Ⅰ中暗点的电子密度低于亮点,菱形斑图Ⅱ中亮点和暗点的电子密度却几乎相等。两种菱形斑图中电子密度表现出不同的变化趋势,且在菱形斑图Ⅱ中表现出的规律尤为特殊,因而采用高速录像机对菱形斑图Ⅱ进行短曝光拍摄观察斑图中亮点和暗点的成分,发现暗点是体放电和沿面放电共存的状态。进一步研究从菱形斑图Ⅰ到菱形斑图Ⅱ的演化过程中三种斑图中亮点的电子密度,结果发现： 演化中间过程的斑图中的亮点的电子密度最大,菱形斑图Ⅱ中亮点的电子密度最低。实验结果对于研究斑图的自组织形成过程具有参考作用。     

大气压下石英毛细管内氩等离子体放电的发射光谱诊断

在长度为20 cm的石英毛细管内利用两个边缘锋利的中空的针型电极之间的氩气放电产生了高电子密度的大气压等离子体。利用发射光谱对所获得的等离子体的几个重要参数进行了诊断。利用计算机谱线拟合法合成了300 nm附近OH(A-X)的(0-0)转动谱带并通过与测量谱线的比较确定了等离子体的气体温度,根据H_β谱线Stark展宽法计算了等离子体的电子密度,采用玻尔兹曼曲线斜率法依据测得的有关氩的发射光谱估算了等离子体的电子温度。研究结果表明,这种石英毛细管内弧光放电等离子体的气体温度约为(1 100±50)K;电子密度数量级在1014 cm-3;电子温度约为(14 515±500)K。     

介质阻挡放电系统中带晕蜂窝六边形发光斑图

为了丰富介质阻挡放电系统中斑图的多样性,利用双水电极介质阻挡放电装置,在空气和氩气按一定比例混合的气体中（氩气含量χ=25%）,发现了带晕蜂窝六边形斑图。通过观察用普通相机拍摄的斑图照片,可以发现斑图是由中心点、晕和蜂窝框架构成,且中心点位于晕的中心,中心点和晕嵌套在蜂窝框架的中心。采用带有3个通道的高速照相机对斑图进行分脉冲瞬态拍摄,结果显示带晕蜂窝六边形斑图的3套子结构在外加电压的半周期内,总是按照晕-蜂窝框架-中心点这样的顺序放电。运用光电倍增管对这3套子结构进行研究,发现晕的放电在时间和空间上具有局部选择性。利用发射光谱法,根据氮分子第二正带系（C³Π_u→B³Π_g）谱线计算了中心点、晕和蜂窝框架的分子振动温度,结果显示:中心点的分子振动温度为2 632 K,晕的分子振动温度为2 679 K,蜂窝框架的分子振动温度为2 720 K。本文利用壁电荷理论解释带晕蜂窝六边形斑图的形成机制和时空结构。