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。     

利用Hβ线的Stark加宽计算激光诱导Cu等离子体的电子密度

潮湿空气中,利用Nd:YAG脉冲激光烧蚀Cu靶获得等离子体发射光谱,依据谱线波长和相对强度等信息计算了等离子体的电子温度;在此基础上,分别用三种方法由Hβ线的Stark加宽计算得到电子密度,并对结果进行了比较分析,证实：对于电子密度在1015~1016cm-3范围内的等离子体,用Hβ谱线测量电子密度是可靠的. 讨论了等离子体电子温度和电子密度在垂直于靶面方向的空间分布,并从产生机制的角度解释了等离子体的传播过程.     

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。     

大气压微等离子体射流电子密度研究

采用微空心阴极放电装置,利用光学方法和电学方法研究了大气压流动Ar和N₂混合气体中产生的微等离子体射流特性。研究发现,随着电源输入功率增大到一定数值,微空心阴极装置中两个电极间气体发生击穿,通过击穿气隙气体的流动会沿着气流方向产生最大为4 mm的等离子体射流。放电电流为准连续的脉冲放电形式,其中放电电流脉冲宽度约为0.1 μs。分别利用爱因斯坦方程和等离子体发射光谱中谱线的Stark展宽方法计算了电子密度。结果发现,2种计算方法得出的微等离子体射流的电子密度均在1015·cm-3的量级。研究还发现,功率对微等离子体射流电子密度影响不大。利用气体击穿理论,对以上结论进行了定性分析。     

使用斯塔克展宽计算大气压射频介质阻挡放电氮气等离子体的电子密度

大气压射频等离子体是近几年发展起来的一种新型非平衡等离子体。以氮气掺杂少量氩气为放电气体,实现了大气压射频介质阻挡放电。利用发射光谱对放电进行在线诊断研究,并分析谱线线型,从中分离出谱线的Stark线型,从而计算出放电通道的电子密度。研究了单个放电通道中电子密度的空间分布并测量了通道同一位置的电子密度随放电输入功率的变化。结果显示,在放电通道中部,当放电输入功率由138W增加至248W,电子密度由4.038×1021 m-3升高至4.75×1021 m-3。     

大面积等离子体片密度分布分析

利用空心阴极放电产生了尺寸为60 cm× 60 cm× 2 cm的大面积等离子体面. 在实验室条件下对大面积等离子体片的密度分布进行了测量. 由于高压放电脉冲脉宽较短, 实验中改变了测量方法, 同时, 在中等磁场影响下, 为了得到真实的等离子体密度, 进行了必要的数值修正.在放电电流为1---6 A时, 测量了二维的电子密度分布. 另外, 测量并讨论了其他环境参数对等离子体密度的影响. 电子密度的分布情况对与微波波束切换相当重要. 由空心阴极增强型放电产生的大面积等离子体面具有反射X波段(8---12 GHz) 微波需要的足够稠密的电子密度和足够均匀的密度分布, 这是等离子体面在雷达系统中取代金属面板的有利条件.     

小尺寸瞬态等离子体电子密度光谱法试验研究

本文对SCB等离子体发射光谱进行了试验研究,在局部热力学平衡条件下,用AlⅠ394.40nm谱线Stark的展宽法测量了SCB等离子体的电子密度;在发射光谱和Saha方程理论的基础上,设计并建立一套测试仪器,时间分辨率为0.1μs,将其测量的电子密度与同种试验条件下的Stark展宽法得到的结果相比较,电子密度的数量级都为1015cm-3－1016cm-3,且随时间的变化的规律相同。     

高速时空分辨光谱仪的构建及其在水中纳秒脉冲火花放电光谱诊断中的应用

近年来对水中高压脉冲放电等离子体特性的诊断研究越来越受到重视。测量单个放电脉冲放电等离子体的时间-空间分辨发射光谱,有助于研究水中脉冲放电等离子体的时空演化动力学特性和规律。在本研究中将四分幅超高速相机和单色仪结合,构建了一种跟踪单个放电脉冲的高速时空分辨光谱仪,开发了相应的光谱分析软件。用波长632.8 nm的He-Ne激光器,在1 200 g·mm-1刻线光栅条件下对光谱仪的性能进行了测试。结果表明：对应He-Ne氦氖激光632.8 nm谱线的像素分辨率为0.013 nm。在曝光时间20 ns时,单色仪狭缝宽度0.2 mm时632.8 nm谱线的仪器展宽为(0.150±0.009)nm,仪器展宽随着狭缝宽度的增加呈现增大趋势。曝光时间的变化不会引起仪器展宽的变化,能够确保在调节相机曝光时间的过程中不影响光谱仪性能。利用该高速分辨光谱仪对水中纳秒火花放电发射光谱进行了测量,单次曝光获得了单一脉冲放电等离子体时空演化光谱。今后进一步完善实验室的电路条件消除放电干扰,可以对单个放电脉冲进行更细致的测量,为研究单个放电脉冲等离子体参数的时空演化特性提供良好的技术手段。     

介质阻挡放电氢等离子体中氢原子浓度的光谱诊断

在化学气相沉积功能材料等离子体刻蚀及表面处理等过程中, 氢原子起着非常重要的作用。文章详细论述了利用发射光谱技术诊断氢原子的基本原理,以氩气作为内标对介质阻挡放电氢等离子体中的氢原子浓度进行了定量的诊断,研究了氢原子浓度、氢分子解离率随气压的变化规律。发现在0.32到5.1 kPa气压范围内,氢分子的解离率由5.2%下降到0.089%,相应的氢原子浓度由4.9×1015·cm-3下降到1.3×1015·cm-3。文章还研究了氢Balmer系以及氩(750.4 nm)谱线的发射强度随气压、放电电压、频率等放电参数的变化规律。     

高气压微波氢等离子体发射光谱诊断

在2.45GHz,800W级的高气压微波等离子体放电系统中,通过测量不同微波功率和放电气压下氢等离子体的Balmer线系的发射光谱,从测量的谱线总展宽中卷积去掉具有高斯线形的Doppler展宽和仪器展宽得到谱线的Stark展宽,并通过Stark展宽测量氢等离子体的电子数密度和电场强度。结果表明:等离子体的电子数密度和电场强度随着放电气压的升高都是先增大后减小,随着微波功率的增加呈现逐渐增大的趋势。微波功率为800W时,气压在25kPa时电子数密度和电场强度都达到最大值,等离子体的电子数密度和内部的电场强度分别为3.55×1012cm-3及4.01kV/cm。     

空气介质阻挡放电不同放电模式的光谱特性

采用光谱方法,研究了空气介质阻挡放电中流光向类辉光转变时电子能量的变化。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线,测量了氮分子(C3Π_u)的振动温度。通过考察氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子337.1 nm谱线强度之比,研究了电子平均能量的变化。结果表明,流光向类辉光转变时,氮分子(C3Π_u)的振动温度激增,氮分子离子391.4 nm相对谱线强度突增,表明类辉光放电模式中电子能量比流光放电模式中电子能量高很多。实验还发现,气隙间距不同,这两种放电模式转变所对应的转变气压不同,但转变气压与气隙间距的乘积值保持不变。     

Characteristics of parallel-plate and planar-surface dielectric barrier discharge at atmospheric pressure

Experiments are performed to investigate and compare the characteristics of stable parallel-plate and planar-surface dielectric barrier discharge in helium gas at atmospheric pressure. The evolution of applied electric field profile and the discharge initiation processes are found quite different for both electrode geometries. Further discharge voltage, discharge current, power densities etc. are compared. The differences of basic plasma properties are presented for both the electrode configurations.     

Simulation of transition from Townsend mode to glow discharge mode in a helium dielectric barrier discharge at atmospheric pressure

The dielectric barrier discharge characteristics in helium at atmospheric pressure are simulated based on a one-dimensional fluid model. Under some discharge conditions, the results show that one discharge pulse per half voltage cycle usually appears when the amplitude of external voltage is low, while a glow-like discharge occurs at high voltage. For the one discharge pulse per half voltage cycle, the maximum of electron density appears near the anode at the beginning of the discharge, which corresponds to a Townsend discharge mode. The maxima of the electron density and the intensity of electric field appear in the vicinity of the cathode when the discharge current increases to some extent, which indicates the formation of a cathode-fall region. Therefore, the discharge has a transition from the Townsend mode to the glow discharge mode during one discharge pulse, which is consistent with previous experimental results.     

液体电极上辉光放电丝的运动特性研究

大气压液体电极放电在生物医疗、化学降解、环境保护等众多方面具有广泛的应用前景,引起了研究者的关注.本文利用直流电压激励棒-水电极装置,在6 mm气隙间产生了大气压辉光放电.研究发现,随着电流的增大,放电由锥状转变成柱状,且此过程中水面上放电环的直径先增大后减小.利用高速照相机对放电进行研究,发现锥状放电是由单个放电丝旋转形成的.通过测量放电的伏安特性,表明放电处于正常辉光机理.利用光谱学方法,研究了不同电流下的振动温度、转动温度和谱线强度比I_(391.4)/I_(337.1),发现它们均随电流的增加而增大.根据气体放电理论,分析和解释了放电丝的运动机理,并对水面上放电环直径随电流的变化关系进行了解释.这些结果对于大气压液体电极放电的理论研究和实际应用均具有一定参考价值.     

大气压氦气介质阻挡放电中的周期一不对称放电实验研究

大气压介质阻挡放电不仅具有对称周期一的放电形式, 还会在一定参数下呈现不对称周期一(AP1)放电. 本文采用具有平行电极结构的介质阻挡放电装置, 分别在气隙宽度1 mm, 3 mm, 7 mm和10 mm下的大气压氦气中进行了一系列放电实验, 研究了气隙宽度和外施电压频率对周期一放电对称性的影响. 实验结果表明: 在较宽的气隙宽度和外施电压频率参数区间内可以观察到显著的AP1放电; 气隙宽度越大越容易产生AP1放电, 同一气隙宽度下外施电压频率较高时则相对更容易观察到AP1放电; 随着气隙宽度增加, 首次击穿即呈现AP1 放电的外施电压频率临界值逐渐减小. 本文的研究初步验证了之前关于气隙宽度对AP1放电影响的数值仿真结果, 由此可以推测AP1放电并不只是由系统参数的不对称引起的, 也很可能是一种在一定的气隙宽度和外施电压频率下系统固有的、内在的高频不稳定放电行为. 关键词： 介质阻挡放电 不对称放电     

Coaxial rf atmospheric pressure dielectric barrier air-helium plasma characteristics

The electrical and optical characteristics of a coaxial rf atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) with one electrode covered with glass and with helium in air were investigated. Optical measurements with an intensified charge coupled device (ICCD) camera combined with the voltage and power vs. current data provided identification of the α to γ mode transitions. The coaxial design allowed operation with very low power density plasmas (0.18 W/cm³) and a much larger plasma size (13 mm) than the parallel plate designs.     

NaOH对苯胺气液两相介质阻挡放电特性的影响

研究气液两相介质阻挡放电(DBD)的特性,对于深入理解其放电机理、促进其在环保等工业领域中应用具有重要意义。通过电压电流波形和Lissajous图形等电气特性诊断及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了液体成分对大气压气液两相DBD放电特性的影响。比较了苯胺和苯胺加NaOH溶液中气液两相DBD放电特性,利用实验结果计算得到放电功率和传输电荷,并结合放电理论对放电机制进行了分析。结果表明,苯胺加NaOH溶液中气液两相DBD,其放电特性与纯苯胺溶液有明显不同,相同电压下其放电电流约为纯苯胺溶液的两倍,其发光强度更强,放电功率和传输电荷更大,且在光谱特性图波长589nm处出现Na原子谱线,NaOH的加入增加了溶液的电导率,同时促进了气相放电强度,使得放电增强。     

Characteristics of DC discharge in a wire-cylinder configuration at high ambient temperatures

In the present work, the characteristics of direct-current (DC) discharge in a wire-cylinder configuration at an ambient temperature range of 350–850 °C were studied by analyzing photographs of the discharging process and the corresponding V–I characteristics, with the aim of facilitating the application of plasma technology in the fields of energy and the environment. The influences of the ambient temperature, the inter-electrode gap, the gas medium and the cathode material on the DC discharge were investigated. The corona-onset threshold voltage (COTV) and the spark-breakdown threshold voltage (SBTV) decrease as the ambient temperature increases, and the SBTV decreases more rapidly. Increasing the inter-electrode gap enlarges the difference between the SBTV and the COTV. After spark breakdown, in an air atmosphere, glow discharge is more likely to take place under conditions of high ambient temperatures or small inter-electrode gaps. The values of the SBTV in different atmospheres have the following relation: air ≈ O₂ > CO₂. At an ambient temperature range of 350–850 °C and in an atmosphere of N₂, glow discharge and arc discharge occur successively as the output voltage of the power supply is increased, while in an atmosphere of O₂ and CO₂, only corona and arc discharge are successively observed. In an air atmosphere, when the inter-electrode gap is 29 mm, corona, glow and arc discharge occur successively with increasing output voltage when the ambient temperature is 850 °C, while only corona and arc discharge appear when the temperature is 350–750 °C. When the inter-electrode gap is 5 mm in an air atmosphere, corona, glow and arc discharge occur successively in an ambient temperature range of 350–850 °C. The cathode material has a minor influence on the COTV and a more significant influence on the SBTV. In a device using a cathode with a low work function, the SBTV is low, and the power to maintain arc discharge is small.     

介质阻挡放电中单个新型放电丝放电特征和光谱测量

在放电间隙较大(d=3.8 mm)的介质阻挡放电(DBD)中,通过减小放电区域(S=1 cm×1 cm),首次观察到了单个新型放电丝。与其他实验小组所观察到的单个放电丝相比,该单个新型放电丝由体放电(VD)和沿面放电(SD)二部分构成,其放电稳定性和持续性极好。利用高速照相机和光谱仪,研究了单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中的放电特征和单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态。在高速照相机不同曝光时间条件下拍摄得到了单个新型放电丝端面和侧面放电的瞬时照片,并对其外加电压半周期单次放电的放电特征与辉光放电进行了对比。利用发射光谱法,采集了单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)和772.13 nm(2P₂→1S₃)发射谱线,并通过两条谱线强度比法,估算出了相应的电子激发温度。实验结果得出：单个新型放电丝由体放电和沿面放电构成,且沿面放电在体放电四周呈枝状扩散;单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中与辉光放电特征相似,且在阴极呈现出漏斗状放电;氩原子谱线强度及其相应的电子激发温度从极板两端到中间均呈减小的变化趋势,表明单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态不同。     

介质阻挡放电中单个新型放电丝放电特征和光谱测量

在放电间隙较大(d=3.8 mm)的介质阻挡放电(DBD)中, 通过减小放电区域(S=1 cm×1 cm), 首次观察到了单个新型放电丝。与其他实验小组所观察到的单个放电丝相比, 该单个新型放电丝由体放电(VD)和沿面放电(SD)二部分构成, 其放电稳定性和持续性极好。利用高速照相机和光谱仪, 研究了单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中的放电特征和单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态。在高速照相机不同曝光时间条件下拍摄得到了单个新型放电丝端面和侧面放电的瞬时照片, 并对其外加电压半周期单次放电的放电特征与辉光放电进行了对比。利用发射光谱法, 采集了单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的氩原子763.26 nm(2P6→1S5)和772.13 nm(2P2→1S3)发射谱线, 并通过两条谱线强度比法, 估算出了相应的电子激发温度。实验结果得出: 单个新型放电丝由体放电和沿面放电构成, 且沿面放电在体放电四周呈枝状扩散;单个新型放电丝在外加电压半周期单次放电中与辉光放电特征相似, 且在阴极呈现出漏斗状放电;氩原子谱线强度及其相应的电子激发温度从极板两端到中间均呈减小的变化趋势, 表明单个新型放电丝侧面放电柱不同位置的等离子体状态不同。