气体NO/N2系统等离子体反应NO还原机理研究

首先建立了气体放电等离子体发射光谱测量系统,获得了NO/N2和纯N2气体放电的发射光谱,然后用自洽场分子轨道从头计算法得到了N2基态和激发态分子轨道模型.发现NO/N2气体放电等离子体脱除NO主要是通过包括反应速度非常快的N+NO→N2+O以及e+N2(A3∑u+)→2N+e和e+N2→N2(A3∑u+)+e在内的一系列基元反应进行的,活性N原子是NO还原的基础.     

大气压空气脉冲流光放电等离子体发射光谱分析

在大气压条件下采用尖-尖电极放电系统得到了稳定的放电等离子体, 并应用发射光谱方法对放电等离子体进行了实验研究。等离子体发射光谱呈现连续谱背景迭加分立谱的形式。连续谱背景来源于放电等离子体内轫致辐射和复合辐射过程; 分立谱归属为N2 C3∏u →B3∏g , N+, N, O的荧光辐射。N+荧光辐射对应的上能级电子组态为2s22p(2P0)3p和2s22p(2P0)3d, 能级高度介于20 eV和23.6 eV之间。实验还结合时间分辨光谱技术, 对放电等离子体中N2(336.8 nm)、N+(500.5 nm)、N+(399.7 nm)荧光信号进行时间分辨测量。结果表明, N2(336.8 nm)荧光首先出现, N+(500.5 nm、399.7 nm)荧光同时产生, 且滞后N2(336.8 nm)荧光约25 ns。根据时间分辨测量结果和相关参考文献, 文章对放电等离子体中N+的生成通道进行了分析。     

NO分子A~2Σ←X~2Π跃迁的激光双光子荧光激发谱

以Nd :YAG脉冲激光器泵浦的光学参量发生器 放大器 (OPG OPA)作激发光源 ,获得了 4 2 0～ 4 72nm波长范围内NO分子的双光子激光荧光激发谱 ,并利用此技术对NO分子的能级结构进行了实验研究 ,将所得谱线峰归属为NO(A2 Σ←X2 Π)的跃迁 ,荧光强度随激光强度的二次方变化关系表明此过程是一双光子激发过程。利用实验所得峰值波长计算了NO(A2 Σ)态的基振动频率ωe 和平衡位置的力常数k。通过对NO分子A2 Σ→X2 Π跃迁的荧光时间分辨光谱进行实验研究 ,得到 2 6 6Pa气压下A2 Σ(v′ =0 )态的能级寿命τ=5 3 76ns。测量荧光寿命随气压的变化 ,利用曲线拟合得到NOA2 Σ(v′=0 ,1) 两振动态的自发辐射寿命和无辐射跃迁驰豫速率常数     

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。     

大气环境下氩气空心针-板放电中OH和O的空间分布

研究了大气环境下氩气空心针-板放电等离子体中OH和O的空间分布。利用空心针-板放电装置,得到了3cm长的等离子体炬。首先采集了300～800nm范围内的光发射谱,发现除了ArⅠ谱线、N2第二正带系谱线C3Πu(ν′=0)→B3Πg(ν″=0)外,还出现了OH自由基的谱带、OⅠ谱线和较弱的H谱线。由于含氧活性粒子在材料表面改性中具有重要作用,实验选取了OH发射的309nm附近的谱带和激发态O发射的777.4nm谱线,分析了它们的相对强度,得到了粒子的空间分布。结果表明:沿等离子体从弧根到弧梢位置,OH自由基数量迅速减少,O原子数量呈现先增多后减少的规律。     

NO通过C2H←X2H跃迁的共振多光子离化谱

以皮秒Nd:YAG激光器抽运光学参变发生/放大器做激发源,得到了NO分子在490～580 nm波长范围内通过C2Ⅱ态共振增强的多光子离化谱,离化谱由有规则的谱线序列组成.将理论计算的峰值位置与实验结果进行比较,确定了离化通道为:NO(X2Ⅱ)3hv→NO(C2Ⅱ)-2hv(or hv)→NO++e,离化信号强度随激光强度的近五次方变化关系进一步验证了此结论.分析讨论了谱线强度的分布不符合夫兰克-康登原理的可能原因.根据谱线峰值位置,利用最小二乘法拟合获得NO分子C2Ⅱ态振动常数ω′e=(2354.9±6.4)cm-1ω′eX′e=(14.7±2.5)cm-1及平衡位置的力常数k=(2.44±0.08)×103N@m-1.结果可为用激光离化光谱技术探测大气污染物NO分子提供参考.     

脉冲电晕放电脱除NO化学反应动力学过程

采用非接触的色散荧光发射光谱和时间分辨光谱方法,在大气压条件下,对脉冲电晕放电脱除NO的化学反应动力学过程进行了实验研究。在该研究中,首先利用色散荧光发射光谱方法,得到纯NO气体脉冲电晕放电中各活性粒子的色散荧光谱,并对其进行归属,确定了各活性粒子的灵敏指纹跃迁谱线;在此基础上,通过测量NO气体放电过程中所产生的N+,O,N₂及NO分子的灵敏指纹跃迁谱线的时间行为特性,研究脉冲电晕放电脱除NO的化学反应机理。实验结果表明：在脉冲电晕放电过程中,NO分子首先与高能电子发生非弹性电离碰撞,变成NO+离子,随后NO+离子发生解离反应,形成N+离子和O原子;N+离子在向阴极运动过程中与电子碰撞结合成激发态N原子,继而和其他激发态N原子结合成为激发态N₂;而O原子则应与其它O原子结合成为O₂。由此建立了大气压条件下纯NO气体脉冲电晕放电脱除NO的化学反应动力学模型。     

H2O/N2脉冲流光放电和介质阻挡放电发射光谱比较

本文采用脉冲流光放电和介质阻挡放电两种放电形式分别获得了H2O / N2等离子体的发射光谱。 OH荧光辐射在两种放电等离子体中均出现,而Ha荧光辐射仅存在于脉冲流光放电等离子体中。实验还对脉冲流光放电条件下H、OH 荧光信号进行了时间分辨测量,结果显示Ha荧光信号滞后OH荧光信号约10 ns。根据时间分辨测量结果以及水分子离解的相关文献,实验判断等离子体内水分子离解的主要产物是基电子态的H原子和OH自由基,Ha荧光辐射源于快电子对H原子的次级碰撞激发。介质阻挡放电等离子体的放电脉冲宽度较窄,不能对基态 原子进行有效地次级碰撞激发,所以H2O / N2介质阻挡放电等离子体发射光谱中没有出现Ha荧光辐射。实验结论证实放电脉冲宽度对放电等离子体内次级碰撞激发过程有影响。     

大气压Ar/NH_3同轴介质阻挡放电发射光谱诊断（英文）

采用光谱在线技术(OES)检测了大气压Ar/NH_3 DBD等离子体中的主要粒子为NH,N,N~+,N_2,Ar,H_α,OH。NH是NH_3分解的产物,激发态Ar~*和NH_3分子的潘宁碰撞生成激发态中性粒子NH(c~1Ⅱ)和NH(A~3Ⅱ)。674.5 nm处N原子谱线表明等离子体中产生了N活性原子,为大气压Ar/NH_3同轴介质阻挡放电等离子体合成ε-Fe_3N磁性颗粒提供了可能。研究了各主要粒子谱线强度随NH_3流量和外加电压峰峰值的变化规律,研究结果表明:NH_3流量相同时,随外加电压峰峰值升高,各粒子谱线强度均逐渐增强;外加电压峰峰值相同时,各谱线强度随NH_3流量增加先增强后减弱。外加电压峰峰值相同时,随NH_3流量增加,N活性原子谱线强度先增强后减弱,NH_3流量为20 mL·min~(-1)时,N活性原子谱线强度最强。NH_3流量相同时,随外加电压峰峰值升高,N活性原子谱线强度逐渐减小,主要是由于大气压Ar/NH_3DBD放电模式由多脉冲大气压辉光放电转变为丝状放电造成。多脉冲大气压辉光放电的微放电通道之间相互重叠,各个微放电之间相互影响,导致随外加电压峰峰值升高各谱线强度的增加速率较快。当外加电压峰峰值从4 600 V升高到6 400 V时,大气压Ar/NH_3 DBD的放电模式由单脉冲APGD转变为二脉冲APGD,属于均匀大气压介质阻挡放电,随外加电压峰峰值升高谱线强度的增加速率较快,利于合成e-Fe_3N磁性颗粒。     

NO分子A2∑←X2Ⅱ跃迁的激光双光子荧光激发谱

以Nd:YAG脉冲激光器泵浦的光学参量发生器/放大器(OPG/OPA)作激发光源,获得了420～472nm波长范围内NO分子的双光子激光荧光激发谱,并利用此技术对NO分子的能级结构进行了实验研究,将所得谱线峰归属为NO(A2∑←X2Ⅱ)的跃迁,荧光强度随激光强度的二次方变化关系表明此过程是一双光子激发过程.利用实验所得峰值波长计算了NO(A2∑)态的基振动频率ωe和平衡位置的力常数k.通过对NO分子A2∑→X2Ⅱ跃迁的荧光时间分辨光谱进行实验研究,得到266 Pa气压下A2∑(v′=0)态的能级寿命τ=53.76ns.测量荧光寿命随气压的变化,利用曲线拟合得到NOA2∑(v′=0,1)两振动态的自发辐射寿命和无辐射跃迁驰豫速率常数.     

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。     

空气电晕放电发展过程的特征发射光谱分析与放电识别

局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程,并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200～980 nm范围内的发射光谱。放电初期的发射光谱主要由氮气分子N₂的带状光谱组成,分别为N₂第二正带系（second positive system,SPS）和N₂第一正带系（first positive system,FPS）。放电程度加深后,发生能级跃迁的粒子种类更加丰富,由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线,光谱范围也由放电初期的280～460 nm扩展至200～980 nm。放电处于临界击穿时,发射光谱的强度急剧增加,强度最高值出现在500.715和777.202 nm处,分别对应氮离子N+和氧原子O的辐射谱线,这意味着微观放电过程再次发生改变。基于空气放电机理分析得到：放电初期、放电加深、放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N₂,NO与O和N+辐射跃迁所致,这由放电间隙的能量所决定,其特征光谱分别为336.907,239.687和500.715 nm。放电初期,336.907 nm处的强度绝对占优,239.687和500.715 nm处的相对强度极小;放电程度加深时,239.687 nm处的强度占优,500.715 nm处的相对强度极小;临界击穿时,500.715 nm处的强度占优,336.907 nm处的强度最弱。空气电晕放电的200～980 nm光谱范围内,紫外波段、可见光波段和近红外波段的光子数虽然都随着施加电压的升高而增加,但各波段光子数的归一化结果表明：随着放电程度的加深,紫外波段的光子比例逐渐减小,可见光波段的光子比例逐渐增加,近红外波段光子比例变化相对较小。不同放电阶段的“紫外-可见光-近红外”波段的相对光子数分布有较明显的差异,可以反映放电的发展程度。     

NO分子A^2∑←X^2∏跃迁的激光双光子荧光激发谱

以Nd：YAD脉冲激光器泵浦的光学参量发生器／放大器(OPG／OPA)作激发光源,获得了420～472nm波长范围内NO分子的双光子激光荧光激发谱,并利用此技术对N0分子的能级结构进行了实验研究,将所得谱线峰归属为NO(A^2∑←X^2∏)的跃迁,荧光强度随激光强度的二次方变化关系表明此过程是一双光子激发过程。利用实验所得峰值波长计算了NO(A^2∑)态的基振动频率ωe和平衡位置的力常数k。通过对NO分子A^2∑←X^2∏跃迁的荧光时间分辨光谱进行实验研究,得到266Pa气压下A^2∑(v′=0)态的能级寿命r=53．76ns。测量荧光寿命随气压的变化,利用曲线拟合得到NOA。三(v′=0,1)两振动态的自发辐射寿命和无辐射跃迁驰豫速率常数。     

利用发射光谱研究脉冲电晕放电中的自由基

利用发射光谱技术在大气压下测量了以氮气为载气的不饱和水蒸气体系针-板式正脉冲电晕放电产生的OH(A^2∑→X^2Ⅱ0—O)自由基和O(3p^5P→3s^5S^02777．4nm),Ha(3P→2S 656．3nm)活性原子的发射光谱,并由N2(C^3Ⅱu→B^3Ⅱg)的△v=-3和△v=-4振动带序发射光谱强度计算得出N2(C,v)的相对振动布居及其振动温度,进而采用高斯分布拟合准确地求出了N2(C^3Ⅱu→B^3Ⅱg)的△v= 1振动带序发射光谱强度,从而可以由N2(C^3Ⅱu→B^3Ⅱg)的△v= 1振动带序与OH(A^2∑→X^2Ⅱ0—0)的重叠发射光谱中准确求出OH(A^2∑→X^2Ⅱ0—0)自由基的发射光谱强度。由发射光谱强度得到了激发态OH(A^3∑)自由基和O(3p^5P),Ha(3P)活性原子的布居。还研究了激发态OH(A^2∑)自由基和O(3p^5P),Ha(3P)活性原子的布居随放电电压和放电频率的变化以及氧气对激发态OH(A^2∑)自由基和O(3p^5P),Ha(3P)活性原子布居的影响。     

N2O脉冲高压直流放电的光谱研究

建立了一套产生瞬变物种的脉冲高压放电及其光谱探测的分子束装置,该装置的放电部分可在最高10kV电压条件下长期稳定工作,在数据采集中利用软件实现了取样积分器的功能,并且可以进行多通道数据的同时采集。利用此装置在几Pa压力下对N2O脉冲高压直流放电过程进行了研究,对得到的N2O (A~2Σ —~X2Πi)发射谱进行了标识,由振动光谱的强度得到了N2O ~A态的相对振动布居,和以往的研究结果相比,得到的N2O ~A态更偏离Bolzmann分布,产生的~A态是初生态。     

白光LED用Ba2B2P2O10∶Eu2+绿色荧光粉的光谱特性

采用高温固相法制备了一种适于近紫外光激发,发射绿光的Ba2B2P2O10∶Eu2+材料,并研究了材料的发光性质.Ba2B2P2O10∶Eu2+材料的发射光谱为一峰值位于522 nm的非对称单峰宽谱|监测522 nm发射峰,所得激发光谱覆盖300~450 nm,主峰位于381 nm,为Eu2+的5d→4f跃迁特征激发谱带.利用van Uitert公式计算了Eu2+取代Ba2B2P2O10中Ba2+时所占晶体学格位,得出507 nm和542 nm发射峰分别归属于八配位和六配位的Eu2+发射.研究发现,Eu2+浓度对Ba2B2P2O10∶Eu2+材料的发射强度有影响,并判断出Eu2+在Ba2B2P2O10中发射的自身浓度猝灭机理为电偶极-电偶极相互作用.     

NO2分子内能传递和弛豫过程的光声和荧光光谱探测

将荧光光谱和光声光谱两种互补的探测技术结合起来,从辐射和无辐射跃迁两个方面,分析了 532nm激光作用下,NO2分子的激发和弛豫过程.发现NO2分子在激光作用下,将跃迁至第一激发电子态.当样品气压较低时,受激NO2分子除辐射荧光外,可通过快速的内能转移过程实现在几个振转能级的再布居;随样品气压的升高,分子间碰撞加剧,受激NO2分子通过分子间的碰撞,实现在多个振转能级的再布居.激光布居能级的荧光辐射效率随样品气压的升高逐渐降低,而长波区域的荧光辐射及光声信号强度逐渐增强,说明在高样品气压条件下,受激NO2分子的弛豫过程除辐射荧光外,还存在很强的碰撞弛豫过程,在碰撞弛豫过程中受激NO2分子将振动能转化为热运动的平动能,引起温度升高而产生很强的声信号.     

空气介质阻挡放电发射光谱测量及放电过程粒子分析

发射光谱是对等离子体进行检测和诊断最常见的应用方法,提供了等离子体的化学和物理过程丰富的信息,放电过程中等离子的动力学行为的分析研究对于气体放电机理及其应用具有重要的作用。设计了一套介质阻挡空气放电光谱测量装置,测量了在实验条件下的发射光谱数据,通过发射光谱分析了介质阻挡放电等离子体的粒子演化。建立了数值计算模型,耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于介质阻挡空气放电过程中的各种粒子变化规律进行了分析,解释了发射光谱的特征。结果表明,约化场强越大,激发的粒子数的浓度越大。对于40,60与80 Td的约化场强,同一时刻同种粒子数的浓度会有一到两个数量级的差距。电场的激发产生了大量的N₂(A3),N₂(B3)与N₂(C3)的粒子,但是由于其能级较高,而迅速发生了转化,并且在放电的10-6 s后,这些粒子的产生与转化达到了平衡。相比激发态氮分子,O₂(A1) O₂(B1)与O₂(A3Σ+_u)的峰值浓度并不低,这些粒子的能量相对较低,跃迁产生的谱线波长较长,光谱仪并未清晰捕捉到氧分子的发射光谱。O粒子的峰值浓度较小,因此其跃迁产生的发射光谱较弱。放电过程中产生的较为稳定的O₃浓度持续增加,NO₂的浓度达到峰值后也不会下降。建立的模型计算结果可以很好地解释实验中测量得到的发射光谱数据。     

利用电晕放电实验研究NO分子γ电子带系发射光谱

基于NO分子的双重态能级结构特性,利用分子光谱理论分析和计算了NO分子γ带系(A2Σ+→X2Πr)的发射光谱,并通过电晕放电实验光谱进行验证。理论上计算了NO高低能级的双重电子态的能级分布,同时利用r质心近似法求取了能级间跃迁的电偶极矩函数,并得到了不同振动、转动能级间的爱因斯坦跃迁概率,然后计算出不同振动温度和转动温度条件下谱线的强度分布。最后进行NO和N2混合气体的电晕放电实验,通过将实验发射光谱同理论计算结果进行对比分析,确定了NO分子的振动温度和转动温度。