大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验

设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源。整个系统由1～10 kW主频2.45 GHz的磁控管微波功率源、环形器、调谐器和微波反应腔体组成。通过特殊设计的调谐装置,在气体喷嘴处产生高幅值的电场强度,使工作气体电离形成大气压开放式微波等离子体炬。对影响电场强度的几个关键因素进行了仿真,得出各个参数对场强的影响规律;根据仿真参数设计了微波反应腔体,该系统可以在大气压下激发和维持开放的稳定氩气、氦气、氮气和空气等离子体炬。对等离子体炬的基本特性和基本参数进行了研究,验证了设计参数的正确性,讨论了其可扩展性及潜在的工业应用。     

常压微波等离子体炬的模拟及硫化氢处理

对常压微波等离子体炬装置及H2S废气的处理进行了研究。介绍了一种具有特殊喷嘴结构的微波等离子体炬装置,模拟了不同喷嘴结构下谐振腔中微波电场的强度及分布,在此基础上,进行了H2S废气处理的实验研究。结果表明:采用新型喷嘴结构在喷嘴尖端产生的电场强度和分布更利于等离子体炬的激发,微波功率为500 W时,喷嘴尖端处的电场强度在1.5×106 V/m以上,远大于氩气的击穿电场强度,能有效地激发等离子体炬;当H2S气体与Ar气体流量比为10∶90,总流量为1000mL/min,微波功率为1000 W时,H2S的转化率最大达91.32%;大气微波等离子体炬能有效地处理H2S废气。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

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...     

分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度（英文）

通过OH自由基A~2Σ~+→X~2Π_r电子带系分子发射光谱测温法,实现了对氩气、氮气、空气三种大气压微波等离子体气体温度的测量。探究了不同微波功率、不同气体流量下气体温度的变化规律,测量了氮气、空气微波等离子体羽流的轴向温度分布。实验结果表明,不同工作条件下微波等离子体核心温度普遍超过2 000K,空气微波等离子体可超过6 000K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足:T_(Ar)T_N_2T_(Air);气体温度总体上随微波功率增加而小幅增加,随气体流量下降而小幅降低;氮气与空气等离子体羽流温度沿轴向迅速降低。为验证分子发射光谱测温法的准确性,以热电偶测温作为比对,对温度较低的介质阻挡放电氩气等离子体进行了温度测量,实验表明,分子发射光谱法与热电偶所测结果十分接近。     

分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度

通过OH自由基A2Σ+→X2Π_r电子带系分子发射光谱测温法,实现了对氩气、氮气、空气三种大气压微波等离子体气体温度的测量。探究了不同微波功率、不同气体流量下气体温度的变化规律,测量了氮气、空气微波等离子体羽流的轴向温度分布。实验结果表明,不同工作条件下微波等离子体核心温度普遍超过2 000 K,空气微波等离子体可超过6 000 K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足：T_Ar<T_N2<T_Air;气体温度总体上随微波功率增加而小幅增加,随气体流量下降而小幅降低;氮气与空气等离子体羽流温度沿轴向迅速降低。为验证分子发射光谱测温法的准确性,以热电偶测温作为比对,对温度较低的介质阻挡放电氩气等离子体进行了温度测量,实验表明,分子发射光谱法与热电偶所测结果十分接近。     

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。     

针环式电极大气压下氩气等离子体射流长度影响因素研究

为掌握反应器结构参数和放电参数对大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)的射流长度的定量影响,设计了多结构的针-环式电极氩气等离子体射流装置,分别研究了放电电压、电极间隙、高压电极放电末端与接地电极的距离及氩气体积流量对射流长度的影响,并采用发生光谱法对该反应器产生的等离子体电子激发温度进行了计算。结果表明：等离子体射流的最大长度可达80 mm;高压电极放电末端与接地电极之间的距离越大,射流长度越长但不是线性增长;射流长度随电极间隙的增加呈现先增大后减小的趋势且在电极间隙为4.5 mm时该射流达到最大长度;随着氩气体积流量的增加,等离子体射流长度也呈现出先增大后减小的趋势且减小的幅度较低;电子激发温度在高压电极和接地电极处较高,两电极之间部分次之,在石英管出口处会有比较明显的下降。     

小功率等离子体射流的流特性

采用焓探针对小功率(5kW)热喷涂等离子体射流的焓、温度和速度进行了测量和计算。研究了气体成分、流量、电弧电压和电流对等离子流体的焓、温度和速度分布的影响。结果表明，对于单一氩气等离子体，当使用新喷嘴时，增大氩气流量能够使喷嘴内部电弧弧根向出口方向移动，从而增加等离子体射流的焓、温度和速度。对于Ar-N2等离子体，增加气体中氮气的含量，会提高等离子电弧电压，在同样的输入功率下，改变等离子电流和电压对等离子体的焓、温度和速度影响较小。对于Ar-N2等离子体，增加氢气含量会明显地提高等离子射流的速度和热传递。     

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明:当气体压强为250 Pa、输入功率为100~450 W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。     

Ar/CH4等离子体射流发射光谱诊断研究

为了更加深入的研究大气压条件下Ar/CH₄等离子体射流的放电机理和其内部电子的状态,通过自主设计的针-环式介质阻挡放电结构,在放电频率10 kHz、一个大气压条件下产生了稳定的Ar/CH₄等离子体射流,并利用发射光谱法对其进行了诊断研究。对大气条件下Ar/CH₄等离子体射流的放电现象及内部活性粒子种类进行诊断分析,重点研究了不同氩气甲烷体积流量比、不同峰值电压对大气压Ar/CH₄等离子体射流电子激发温度、电子密度以及CH基团活性粒子浓度的影响规律。结果表明,大气压条件下Ar/CH₄等离子体射流呈淡蓝色,在射流边缘可观察到丝状毛刺并伴有刺耳的电离声同时发现射流尖端的形态波动较大;通过发射光谱可以发现Ar/CH₄等离子体射流中的主要活性粒子为CH基团,C,CⅡ,CⅢ,CⅣ,ArⅠ和ArⅡ,其中含碳粒子的谱线主要集中在400~600 nm之间,ArⅠ和ArⅡ的谱线分布在680~800 nm之间;可以发现CH基团的浓度随峰值电压的增大而增大,但CH基团浓度随Ar/CH₄体积流量比的增大而减小,同时Ar/CH₄等离子体射流中C原子的浓度随之增加,这表明氩气甲烷体积流量比的增大加速了Ar/CH₄等离子体射流中C-H的断裂,因此可以发现增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可明显的加快甲烷分子的脱氢效率,但增大氩气甲烷体积流量比的脱氢效果更加明显。通过多谱线斜率法选取4条ArⅠ谱线计算了不同工况下的电子激发温度,求得大气压Ar/CH₄等离子体射流的电子激发温度在6 000~12 000 K之间,且随峰值电压与氩气甲烷体积流量比的增大均呈现上升的趋势;依据Stark展宽机理对Ar/CH₄等离子体射流的电子密度进行了计算,电子密度的数量级可达1017 cm-3,且增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的探索对大气压等离子体射流的研讨具有重大意义。     

Pulsed microwave-driven argon plasma jet with distinctive plume patterns resonantly excited by surface plasmon polaritons

Atmospheric lower-power pulsed microwave argon cold plasma jets are obtained by using coaxial transmission line resonators in ambient air.The plasma jet plumes are generated at the end of a metal wire placed in the middle of the dielectric tubes.The electromagnetic model analyses and simulation results suggest that the discharges are excited resonantly by the enhanced electric field of surface plasmon polaritons.Moreover,for conquering the defect of atmospheric argon filamentation discharges excited by 2.45-GHz of continued microwave,the distinctive patterns of the plasma jet plumes can be maintained by applying different gas flow rates of argon gas,frequencies of pulsed modulator,duty cycles of pulsed microwave,peak values of input microwave power,and even by using different materials of dielectric tubes.In addition,the emission spectrum,the plume temperature,and other plasma parameters are measured,which shows that the proposed pulsed microwave plasma jets can be adjusted for plasma biomedical applications.     

真空环境中等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究

在真空环境中，利用传输线测量装置，开展微波等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究.实验结果表明，采用传输线测量方法能够有效地获得等离子体对反射电磁波的衰减；在5GHz附近，以氩气为工质，流量为52.5mg/s时，52W微波功率在真空环境中产生的等离子体喷流能对反射电磁波产生最大的衰减；增加微波功率、降低真空环境压强可以提高等离子体对反射电磁波的衰减；要使等离子体能够对反射电磁波产生最大的衰减，必须选取合适的发生器参数. 关键词： 电磁波在等离子体中的传输 等离子体基本过程 电磁波     

真空中不同极化电磁波在微波等离子体喷流中的衰减特性实验研究

在真空环境中，利用空间反射电磁波测量装置，开展微波等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波衰减的实验研究，分析不同极化电磁波在等离子体中衰减的影响因素.实验结果表明：以氩气为工质，真空室中微波等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波具有显著的吸收效应.发生器流量、功率以及实验真空度对垂直极化电磁波在等离子体中的衰减影响明显.真空度和发生器功率对水平极化电磁波没有显著影响. 关键词： 等离子体中的电磁波 等离子体基本性质 电磁波     

一种大气微波环形波导等离子体设备

 微波等离子体相对其它等离子体而言有很多的优点，具有极高的工业应用价值。但在大气条件下，大体积的微波等离子体较难获得。为达到产生该种微波等离子体并将之应用的目的，特设计了一台环形波导反应腔设备并从事了等离子体激发的相关研究。介绍了该设备的设计思路，给出了常用的非磁化微波等离子体工作气体的击穿曲线，通过软件仿真得到了反应腔内的电场分布，并陈述了微波等离子体反应的基本现象。结合试验的结果，证明了软件仿真的正确性和装置的有效性。目前，该装置可在大气压下顺利激发一定体积的氦、氩等离子体。     

常压微波等离子体射流实验装置

介绍了使用2.45GHZ微波源激励产生常压等离子体射流（MPJ）的装置,该装置结构简单,使用可靠,实验内容丰富,适合教学要求。     

常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

 介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×10⁶ V·m^-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

大气压中频氩∕丙酮等离子体发射光谱诊断

目前, 等离子体发射光谱应用于中频丙酮等离子体的研究鲜有报道。自建大气压氩∕丙酮喷射中频交流放电等离子体装置, 采用HR2000光纤光栅光谱仪对放电光谱进行记录, 并对实验中的光谱信号进行分析诊断。研究结果说明, 对大气压环境下, 使用氩气为“载气”, 对可挥发有机溶剂进行等离子发射光谱分析是一种可行的技术; 大气压下丙酮等离子体的活性成分和真空环境下丙酮等离子体产生的活性成分有很大区别, 氧元素对两种气压下等离子体活性成分有很大改变; 这种诊断方法对大气压下挥发性有机试剂的等离子体化学反应原理的研究, 有重要的指导意义。此外, 文中展示了大气压下丙酮沉积膜在两种光源下的形貌图, 结果说明在一定实验条件下得到了连续的沉积膜。     

The effect of modulated electric field on characteristic of SDBD-like plasma jet for surface modification

In this paper, the dynamics and flow behaviour of an atmospheric argon plasma jet was studied in the new nozzle structure similar to the surface dielectric barrier discharge (SDBD) using the Schlieren imaging method. The effect of plasma jet driven by repetitive high-voltage microsecond pulses with low-frequency sinusoidal bias was measured qualitatively in a single mirror Schlieren optical system. The enhancement of plasma jet length and cross-section of plasma jet with surface in this condition is due to highly turbulent flow of argon plasma jet in this structure. This study revealed the important role of SDBD structure and modulated electric field on the behaviour of plasma jet in a high diameter nozzle. In practice, this technique allows us to increase the jet length of the nozzle output to 5 cm and under these conditions, the diameter of the plasma jet cross-section is increased to 8 mm, without increasing the electrical power consumption. Eventually, the hydrophilicity of the surface is also measured by the contact angle of a water droplet that decreases from 78° to 8° after surface treatment, implying we were able to reach a super-hydrophilic surface with this plasma jet structure.