Experimental investigation of nanosecond discharge plasma aerodynamic actuation

In this paper we report on an experimental study of the characteristics of nanosecond pulsed discharge plasma aerodynamic actuation. The N 2 (C 3 Π u ) rotational and vibrational temperatures are around 430 K and 0.24 eV, respectively. The emission intensity ratio between the first negative system and the second positive system of N 2 , as a rough indicator of the temporally and spatially averaged electron energy, has a minor dependence on applied voltage amplitude. The induced flow direction is not parallel, but vertical to the dielectric layer surface, as shown by measurements of body force, velocity, and vorticity. Nanosecond discharge plasma aerodynamic actuation is effective in airfoil flow separation control at freestream speeds up to 100 m/s.     

电荷电压法测量DBD等离子体的放电参量

在DBD应用研究中，使用电荷电压法能够测量许多重要参量，如放电功率、放电间隙等效电容、电介质层等效电容、着火电压、放电间隙等效电压及放电间隙电场强度等．同时根据电荷电压图形随工作条件及状态变化的情况还可以诊断DBD等离子体的工作稳定性．文章对相关原理、模拟实验结果及实际应用效果进行了介绍．     

等离子体气动激励机理数值研究

基于介质阻挡与准直流电弧放电的物理过程, 分析了它们的气动激励机理, 建立了各自的气动激励模型, 并分别研究了它们对低速和超声速流动的激励效果. 结果显示: 介质挡板放电等离子体气动激励机理是改变了连续流体中的三种力, 即由牛顿内摩擦引起的剪切应力、由电动力学引起的体积力及由压力突变引起的冲击力, 其中基于电动力学的体积力效应占主导地位; 临近空间环境中体积力的作用效果更强, 诱导速度更大; 超声速来流下准直流电弧放电气动激励机理主要是等离子体的热阻塞效应, 本文所建立的爆炸丝传热模型可以用于仿真其控制激波的过程; 热电弧对于超声速来流而言就像一个具有一定斜坡角度的虚拟突起, 可用于高超声速飞行器前体激波的控制.     

Measurements of plasma parameters in capacitively coupled radio frequency plasma from discharge characteristics: Correlation with optical emission spectroscopy

Plasma parameters from the discharge characteristics of a 13.56 MHz capacitively coupled radio frequency Ar plasma are evaluated on the basis of homogeneous discharge model for wide range of operating pressure. The homogeneous discharge model of capacitively coupled radio frequency discharge is modified to take into account the nonlinear plasma series resonance effect. The effect of drift velocity of the electron due to change in radio frequency electric field and operating pressure is also considered. Considerable dependent of plasma parameters on the drift velocity of the electron as well as on the plasma series resonance effect are observed in low pressure. An irregular variation of calculated plasma density with operating pressure is observed, which is reconfirmed with optical emission spectroscopy.     

双频容性耦合等离子体相分辨发射光谱诊断

采用相分辨发射光谱法, 对双频容性耦合纯Ar和不同含O₂量的Ar-O₂混合气体放电等离子体的鞘层激发模式进行了探究. 在射频耦合电源上极板的鞘层区域处观察到两种电子激发模式: 鞘层扩张引起的电子碰撞激发模式和二次电子引起的电子碰撞激发模式; 并发现这两种激发模式均受到低频射频电源周期的调制. 在纯Ar放电等离子体中, 两种激发模式的激发轮廓相似; 而在Ar-O₂混合气放电等离子体中, 随着含O₂量的增加, 二次电子的激发轮廓变弱. 此外, 利用相分辨发射光谱法对不同含O₂量的Ar-O₂混合气放电下Ar的 750.4 nm谱线的平均低频电源周期轴向分布进行了研究, 得到了距耦合电源上极板约3.8 mm处为双频容性耦合射频等离子体的鞘层边界.关键词：双频容性耦合等离子体等离子体鞘层发射光谱     

大气压下绝缘毛细管内等离子体放电及其特性研究

在石英毛细管内利用两个边缘锋利的中空针型电极间的放电形成了63 cm长的大气压弧光等离子体.通过记录放电图片和测量电流-电压特征波形及伏安特性曲线的方法对管内等离子体从反常辉光状态过渡至超长弧光状态的过程做了细致的研究,发现管内等离子体在弧光状态下的电子密度不低于10¹⁴ cm^-3.另外,还进一步考察了两电极的间距和电源工作频率对放电伏安特性的影响以及通过发射光谱法测得的等离子体气体温度随外加电压的变化规律.当活性气体(氧气)按一定比例混合到氩等离子体中时,通过关键词：大气压等离子体反常辉光放电弧光放电发射光谱     

磁加速等离子体激励器激励特性

为了增强等离子体激励器的扰动能力、提升等离子体气动激励的控制效果,采用高压探针、烟流显示和PIV流场测试等多种研究手段,开展了磁场加速等离子体激励器特性研究,获得了激励器不同时刻的放电图像,分析了磁场强度对激励器电学特性与诱导流场特性的影响规律.结果表明,（1）放电等离子体的定向运动速度与磁场强度成正比,磁加速等离子体的最大移动速度达到了6 m/s;（2）通过对不同剖面的诱导流场进行研究发现,磁场加速等离子体激励器能够在近壁区产生一系列涡结构.此外,该诱导流场具有显著的三维特征与非定常特性.研究结果为开展基于磁加速等离子体气动激励的流动控制奠定了基础.      

氦氩射频容性放电发射光谱分析

光抽运亚稳态稀有气体激光器利用放电等离子体作为激光的增益介质.为掌握容性射频放电的放电参数对等离子体各项参数的影响的基本规律,利用等离子体发射光谱法研究了氦氩混合气体在不同装置、不同Ar组分、不同气压和不同射频注入功率下的等离子体参数.利用残留水蒸气产生的OH自由基A~2Σ~+→X~2Π的转动光谱分析获得气体温度;利用电子态光谱的玻尔兹曼做图法获得电子激发温度,利用Ar原子696.5 nm谱线的斯塔克展宽获得电子密度.结果表明:气体温度随气压增加略微上升,在一个大气压下改变组分和放电功率,气体温度变化不大;电子激发温度随总气压的下降而上升,且随着Ar组分的增加而略微下降;目前放电条件下的电子密度均在10~(15)cm~(-3)量级;长时间放电监测表明,残留的水蒸气会导致电子温度的下降,从而降低Ar亚稳态的产率.     

微晶硅薄膜沉积过程中的等离子体光学与电学特性研究

采用空间分辨光发射谱和傅里叶变换功率阻抗分析仪研究了衬底偏压和辉光功率对微晶硅薄膜沉积过程中的等离子体光学与电学特性的影响.研究表明：在交流偏压(AC)、悬浮(floating)、负直流加交流(-DC＋AC)偏压下,Hα发射强度空间分布规律相似,平均鞘层长度相等;正直流加交流(＋DC＋AC)偏压和接地(grounded)时Hα发射强度显著增强,并存在双峰(double layers)现象.增大功率,Hα发射强度也随着增大,并在17W与22W之间产生跳变.电学测试发现功率增大,等离子体电阻降低,电抗降低,电关键词：等离子体光发射谱衬底偏压辉光功率     

等离子体增强化学气相沉积中对尘埃颗粒诊断

采用SiH4,C2H4和Ar在射频容性耦合柱状放电室中产生了尘埃颗粒,利用发射光谱测得射频尘埃等离子体放电室中的一些基本碎片的发射光谱,并给出了这些碎片的光发射强度随着实验条件变化的曲线。随着功率和气压的增加,碎片的光发射强度逐步增加,尤其是随功率增加得更快,这说明功率对硅烷和乙烯的离解作用明显。随着硅烷和乙烯流量的增加,碎片的光发射强度随之下降。利用朗缪尔探针的实验结果得出尘埃密度的变化趋势,给出了尘埃密度随射频功率变化的曲线,其结果与硅烷和乙烯的离解变化趋势基本吻合。     

沿面放电中的辉光和赝辉光放电

利用沿面放电发生器装置，在流动氩气中实现了大气压辉光放电。放电电流波形表现为外加电压每半周期只有一个电流脉冲。驱动电压频率是60kHz时，放电电流脉冲持续时间大于1微秒。氩气中的辉光放电，功率消耗随着外加电压增加或者是气压减小而增大，这种关系可以用汤生击穿理论定性解释。与此对比，大气压空气中的放电电流波形为外加电压每半周期放电为许多脉冲，每个电流脉冲为高频阻尼振荡，这就是赝辉光放电。大气压空气中的赝辉光放电可能是由于气体的流光击穿造成的。     

溴甲烷的等离子体发射光谱测量

利用脉冲射频空心阴极等离子体源激发含溴甲烷的工作气体产生等离子体,采用HR4000型高分辨力光谱仪测量了等离子体的发射光谱。通过光谱比较,在等离子体发射光谱图中得到了位于635.07,700.52 nm的溴原子的特征峰,并实验研究了工作气压和溴甲烷密度对溴原子特征峰强度的影响。实验结果表明：在相同的溴甲烷密度下,溴原子的特征峰强度随气压的升高而降低;在相同的气压条件下,溴原子的特征峰强度随溴甲烷密度的升高而升高;溴甲烷密度测量的精度高于1 g/m3。     

Aspects of the dielectric upstream region barrier discharge in a plasma jet with configurations

A plasma column with a length of about 65 cm is generated in the upstream region of a plasma jet using dielectric barrier discharge configurations. The effects of experimental parameters such as the amplitude of the applied voltage and the driving frequency are investigated in aspects of the plasma column by the optical method. Results show that both the plasma length and the propagating velocity, as well as the discharge current, increase with the increase in the applied voltage or its frequency. The discharge mechanism is analysed qualitatively based on streamer theory, where photo-ionization is important. Furthermore, optical emission spectroscopy is used to investigate the electric field intensity of the upstream region.     

Aspects of the upstream region in a plasma jet with dielectric barrier discharge configurations

A plasma column with a length of about 65 cm is generated in the upstream region of a plasma jet using dielectric barrier discharge configurations. The effects of experimental parameters such as the amplitude of the applied voltage and the driving frequency are investigated in aspects of the plasma column by the optical method. Results show that both the plasma length and the propagating velocity, as well as the discharge current, increase with the increase in the applied voltage or its frequency. The discharge mechanism is analysed qualitatively based on streamer theory, where photo-ionization is important. Furthermore, optical emission spectroscopy is used to investigate the electric field intensity of the upstream region.     

三电极共面介质阻挡放电的放电特性及诱导气流实验研究

等离子体流动控制激励器由于其响应速度快、激励频带宽、能量损耗低、可靠性强的优势,在航空航天领域的主动流动控制等方面得到了广泛应用.文章提出了一种新型的等离子体气动激励器——三电极共面介质阻挡放电激励器,研究了该激励器电极结构对放电特性和诱导气流速度的影响,并与传统共面介质阻挡放电和沿面介质阻挡放电激励器进行了比较.结果表明:（1）随着激励电压的提高,高压电极和地电极之间先出现了丝状放电并逐渐延伸到第三电极;（2）随着第三电极与高压电极之间的距离增大,诱导气流速率从2.4 m/s下降到0 m/s,而第三电极宽度的变动对诱导气流速度影响可忽略不计;（3）相同外部条件下,该激励器诱导的气流速度小于沿面介质阻挡放电激励器,但高于共面介质阻挡放电激励器.      

甚高频电容耦合氢等离子体特性研究

采用高H₂稀释的SiH₄等离子体放电, 特别是甚高频等离子体增强化学气相沉积技术是当前高速制备优质微晶硅薄膜的主流方法. 尽管在实验上取得了很大的突破, 但其沉积机理一直是研究的热点和难点. 本文通过建立二维时变的轴对称模型,在75 MHz放电频率下, 对与微晶硅沉积非常相关的甚高频电容耦合氢等离子体放电进行了数值模拟, 研究了沉积参数对等离子体特性的影响, 并与光发射谱(OES)在线监测结果进行了比较. 结果表明: 电子浓度 n_e在等离子体体层中间区域最大, 而电子温度 T_e及H_α与H_β的数密度在体层和鞘层界面附近取极大值; 当气压从1 Torr (1 Torr=133.322 Pa)增大至5 Torr时, 等离子体电势单调降低, 在体层中间区域 n_e先快速增大然后逐渐减小, T_e先下降后趋于稳定; 随着放电功率从30 W增大到70 W, 电子浓度 n_e及H_α与H_β的数密度均线性增大, 而电子温度 T_e基本保持不变; OES在线分析结果与模拟结果符合得很好.     

微波气体放电等离子体与余辉中的动理学研究

研究了微秒脉冲聚焦微波束气体放电等离子体的动理学过程。数值模型基于自洽求解的微波电场亥姆霍兹方程、粒子连续性方程以及电子能量、气体分子振动能量和平动能量的平衡方程,并与等离子体动理学反应互相耦合。对比了国外报道的近期两项相关实验：次MW级X波段9.4 GHz微波氮气击穿和MW级W波段110 GHz微波大气击穿。在次MW级实验中,计算所得电子激发态N₂(C³Π_u)的数密度与实验所测发射光谱第二正带隙的强度一致;在MW级实验中,模拟结果重复了发射光谱测量所得振动温度和平动温度对放电气压的依赖关系。结果揭示了上述模拟和实验符合的内在物理机制。