线-板式脉冲电晕放电反应器的发射光谱研究

以发射光谱法为基础,检测了常压状态线-板式脉冲电晕放电过程OH自由基在反应器内的空间分布;研究了线电极直径,线线间距以及线板间距对生成OH自由基的影响;从而明确脉冲电晕放电反应器的性能。结果显示:OH自由基浓度沿线电极X轴方向逐渐降低,活化区域半径20mm左右,沿Y轴方向先升高后降低,活化区域半径大于30mm;线电极的直径小于2mm时,OH自由基的光谱强度基本不变,线电极直径继续增大,发射光谱强度随之迅速下降。线线间距逐渐增大,OH自由基的发射光谱强度随之增强。OH自由基的发射光谱强度随着线板间距的增大而降低。     

空气电晕放电中的OH自由基发射光谱

测量了大气压下向空气中喷射不饱和水蒸气的电晕放电产生的OH自由基的发射光谱。通过对光谱线强度变化的分析,研究了电场强度、放电方式、水蒸气比例等因素对OH自由基产生过程的影响,及OH自由基浓度在放电反应空间的分布特点。     

脉冲电晕放电中OH自由基的发射光谱研究

采用发射光谱法测量了在加湿的空气、氮气、氩气3种气体背景下脉冲电晕放电产生的OH自由基,通过对发射谱线的分析,研究了在3种背景条件下,脉冲峰值电压、脉冲频率等因素对OH自由基产生过程的影响,着重研究了气体湿度对OH自由基产生过程的影响以及OH自由基在放电电场中的分布特性。实验表明OH自由基的生成量随脉冲峰值电压和脉冲频率的增大而增大,而湿度变化对其影响则与放电背景环境有关,不同背景气体下其变化规律也不相同。空气中放电时产生的OH自由基数量随湿度的增大而增大,氮气中OH自由基的生成量随湿度增大呈先增大后减小趋势,而氩气中OH自由基数量随湿度的增大呈先减少后增大趋势。OH自由基在放电电场中的分布呈从针电极中心向四周逐渐减少趋势。     

脉冲电晕放电流光发展和OH自由基二维分布的发射光谱研究

流光在OH自由基的生成过程中起到重要作用。为了研究流光与OH自由基之间的关系,利用ICCD拍摄了线板式脉冲电晕放电反应器内流光的形成和发展过程,着重研究了在反应器几何结构固定的情况下,输入峰值电压对流光发展速度和流光在阴极板覆盖范围的影响。实验表明在反应器不击穿的情况下,输入峰值电压越大,越有利于流光的发展,因此生成的高能电子数量越多。此外我们还利用发射光谱法测量了脉冲电晕放电反应器内OH自由基的二维分布特性,并且与流光发展轨迹图对比。OH自由基在放电电场中的分布特性是以电极线为中心向四周扩散,浓度逐渐降低。这个结论和流光在脉冲电晕放电反应器内的发展轨迹图相吻合。     

纳秒脉冲电晕放电成像技术

阐述了脉冲电晕放电成像的物理过程,根据气体放电的流光理论,采用纳秒脉冲放电技术,获得了清晰的电晕放电的硬币成像图像,并展望其应用前景。     

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。     

发射光谱研究多针对板电晕放电O活性原子特性

利用发射光谱技术在大气压下测量了空气中多针对板负直流电晕放电和正电晕流光放电产生的O(3p5 P→3s 5 S02777.4nm)活性原子发射光谱。在负电晕放电中,研究了放电功率、电极间距、N2含量和相对湿度等因素对O活性原子产生过程的影响;在正电晕流光放电阶段,研究了O活性原子相对密度在放电反应空间的分布特点。结果表明:O活性原子产量随放电功率的增加而增大,随电极间距增大而减少,随相对湿度和氮气含量的增加,其产量先增大后减少;O活性原子相对密度沿针尖轴向呈先增大后减小的趋势。     

多针对板负电晕放电激发态N原子发射光谱研究

在常压空气中,利用OES技术检测到负直流电晕放电等离子中激发态N原子发射光谱,并利用相对谱峰强度最大的674.5nm N原子激发跃迁谱线研究了相关空气参数和电参数对其相对密度的影响。结果表明,电离区内N原子相对密度随注入功率的升高呈增加趋势;随电极间距和相对湿度的增加,其相对密度逐渐减小;随N2流量增加,其相对密度呈先增加再减小趋势。在实验条件下,当针尖轴向距离r=1mm时,N原子相对密度出现最大值。     

液相隔膜辉光放电等离子体自由基发射光谱研究

为了更好了解液相隔膜辉光放电等离子体引发的化学反应机理,运用发射光谱法研究了稀硫酸溶液隔膜辉光放电等离子体产生的自由基,估算了电子温度与电子密度。结果表明：当电压超过700 V时,观察到了羟基自由基和氢原子的发射光谱;当电压超过750 V时,除了羟基自由基和氢原子外,还观察到了氧原子的发射光谱;这些自由基的发射强度随电压升高而升高;稀硫酸溶液隔膜辉光放电等离子体的平均电子温度与平均电子密度分别为1.3×104 K与7.8×1017 cm-3。     

脉冲电晕放电电子能量及OH,O或O3对NO氧化的光谱学研究

采用发射光谱法测量了线板式脉冲电晕放电中激发态氮气分子N2*和离子N2+的光谱强度,并与数值计算获得的结果进行对比,确定放电电场的空间分布及平均电子能量。水平与竖直方向离开线电极0～2cm,随着距离的增加,平均电子能量和电场均呈先减后增的变化趋势;放电电场变化范围11.05～19.6MV.m-1,对应的平均电子能量的变化范围10.10～13.92eV。这一能量水平的电子足以与O2,H2O分子碰撞产生O,OH自由基,并进一步反应生成O3。在NO氧化过程中,NO可与OH自由基共存,但不能与O3共存;且O3或O氧化NO的效率高于OH自由基,推断O3或O在NO的氧化过程中起关键作用。     

脉冲放电脱硫反应器中高能电子密度分布的光谱研究

脉冲流光放电产生的大于等于11.2 eV的高能电子能将处于基态的氮分子激发到N₂(C3Π_u)态,测试脉冲流光放电时的N₂(C3Π_u→B3Πg)发射光谱相对强度可以得出脉冲流光放电产生的高能电子的密度。实验在室温常压下研究了空气中线-板式脉冲流光放电脱硫反应器内高能电子密度分布情况,并研究了脉冲电压、反应器的线线间距对反应器内高能电子密度分布的影响。实验结果表明,反应器内的高能电子主要集中在放电线附近高电场区内,随着离放电线的距离增大,高能电子密度减小;脉冲电压对高能电子密度有很大影响,随着电压的升高,高能电子密度基本呈线性增大;线板间距固定,线线间距为线板间距的0.6～1倍时,反应器内高能电子密度分布较为均匀。     

线板式脉冲电晕放电反应器OH自由基二维分布的光谱学研究

脉冲电晕放电过程中OH自由基等活性基团的空间分布特性对燃煤烟气污染物的氧化脱除具有重要作用。为了探索脉冲电晕放电污染物控制技术的机理,采用激光诱导荧光法检测线板式反应器内部脉冲电晕放电过程中OH自由基的空间二维分布特性,主要研究了不同相对湿度和含氧量对OH自由基空间二维分布特性的影响。实验表明,脉冲电晕放电过程中OH自由基主要存在于线电极下方的区域中,并以线电极为中心面向板电极呈现扇形分布,并且其扇形分布区域的纵向长度和横向宽度的最大值均小于1 cm;相对湿度的增大有利于OH自由基的生成,促进OH自由基空间二维分布区域面积的扩大,当相对湿度为65%时OH自由基的空间二维分布区域面积达到最大值;当含氧量为2%时最有利于OH自由基的生成,并且OH自由基的空间二维分布区域面积达到最大值,当含氧量超过15%时对OH自由基的生成及其空间二维分布主要起抑制作用。同时,相对湿度和含氧量的增加均提高了激发态OH自由基中猝灭部分所占的比重,从而降低了OH自由基的荧光产率,其中含氧量对OH自由基荧光产率和OH自由基空间二维分布的影响作用大于相对湿度。     

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。     

脉冲放电等离子体/活性炭联合体系中OH自由基的发射光谱研究

基于OH自由基的强氧化性(2.8 V)及脉冲放电等离子体(pulsed discharge plasma, PDP)与活性炭(activated carbon, AC)联合体系的协同作用,依托于光谱检测技术简单、准确性高、灵敏度高等优点,利用发射光谱技术测量了以O2作为载气的PDP/AC联合体系中产生的OH自由基的相对发射光谱,用以表征体系中OH自由基相对生成量的变化。通过考察PDP水处理体系中不同AC添加量、脉冲峰值电压、电极间距对OH自由基相对发射光谱强度的影响,分析了影响OH自由基生成量的因素;通过比较,分析去离子水和酸性橙II(acid orange, AO7)溶液中OH自由基发射光谱强度的变化规律,表征了OH自由基生成量的变化,以说明PDP/AC的协同作用机理及OH自由基对有机物的氧化作用。研究结果表明,增加AC的添加量可以增强其在PDP体系中的催化效果,导致PDP/AC联合体系中OH自由基的相对发射光谱强度的增加;随着脉冲峰值电压的升高,注入PDP体系中的能量增加,从而增加了体系中OH自由基的产量;电极间距增加导致PDP体系能量效率降低,降低了OH自由基的产生量;无论是以去离子水还是以AO7溶液为溶液相,PDP/AC联合体系中OH自由基的产量均高于其在单独PDP体系中的生成量,且在PDP/AC联合体系和单独的PDP作用体系中,去离子水中OH自由基的相对发射光谱强度均高于其在AO7溶液中的强度值,这证明了AC对PDP体系中OH自由基生成的协同作用和有机物对OH自由基的消耗。     

甲烷电离特性的等离子体发射光谱法研究

应用等离子体发射光谱法,用CCD(charge coupled device)光栅光谱仪记录并标识了脉冲电晕甲烷等离子体370～1 100 nm的发射光谱,确定了常温常压下高纯甲烷(99.99%)经100 kV, 100 Hz脉冲高压电离后的产物为H,C+,CH,C,C₂,C₃, C₄,C₅和烃等。通过分析实验检测到的甲烷等离子体发射光谱,给出了甲烷经脉冲高压电离形成电晕等离子体的机理和自由基CH_n(n=3,2,1)、碳、烃等产物的电离途径。结果显示甲烷分子经高能电子非弹性碰撞后脱氢程度很高,大量氢原子及其离子和甲烷自由基在进一步被高能电子作用下合成了烯烃、炔烃、烷烃和高聚碳化物。实验所获得的脉冲甲烷等离子体发射光谱及其机理分析可为甲烷及其转化研究提供相关依据。     

脉冲等离子体推力器等离子体羽流的光谱研究

脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster, PPT)具有体积小、重量轻、比冲高等优点,特别适合作为执行微小卫星轨道转移、阻力补偿和姿态控制等任务的推进系统。为了深入理解PPT推力产生的机理,本文对采用具有张角的舌型极板的尾部馈送式PPT等离子体羽流开展了时空分辨光谱诊断研究。通过对光谱数据的分析发现： 等离子体羽流的主要成分为C,F,C+,F+,C2+,还含有少量的由于极板烧蚀产生的Cu+和Cu2+;等离子体在放电通道内的分布不均匀,通道中心的等离子体浓度最大,靠近阳极板的等离子浓度要明显大于靠近阴极板的等离子体浓度;在不同位置处等离子体成分也具有较大差别,F+和中性粒子主要分布在靠近阳极侧的区域;通过对各个分立谱线进行多普勒线性拟合,得到了放电通道内等离子体温度信息;以中轴线靠近工质的观测点为例,对该点在整个放电过程中不同时刻的谱线进行分析,得到了该点等离子体的具体演化过程,发现在放电的不同阶段羽流成分及各组分所占比例差别较大。     

多相脉冲放电体系中羟基自由基的光谱诊断

采用多针-板电极形式的气液混合脉冲放电系统,在其中加入玻璃珠负载的TiO₂膜光催化剂形成了一个气-液-固多相脉冲放电体系,研究中利用脉冲放电过程中产生的紫外光效应诱导其中的TiO₂的光催化作用,通过对放电体系中羟基自由基(·OH)的光谱诊断考察TiO₂光催化作用与脉冲流光放电的协同作用效果。结果表明,本脉冲放电体系中产生的·OH在306 nm(A2Σ+→X2Π跃迁)、309 nm(A2Σ+(ν′=0)→X2Π(ν″=0)跃迁)和313 nm(A2Σ+(ν′=1)→X2Π(ν″=1)跃迁)处均产生发射光谱,其中313 nm处的·OH的光谱强度最强;脉冲放电协同TiO₂光催化作用系统中·OH的发射光谱强度较单独的脉冲放电体系强,同时,条件实验(不同鼓气种类和水溶液初始pH值)的研究结果表明用氩气作为鼓气源时,多相反应体系中313 nm处·OH的发射光谱强度比以空气和氧气作为鼓气源时的强度高,酸性溶液中313 nm处·OH的发射光谱强度比中性和碱性溶液中高。