介质阻挡放电系统复合气隙中三种放电丝的光谱研究

介质阻挡放电系统（DBD）作为一个典型的非平衡气体放电系统,不仅在工业生产如低温等离子体生产和发光等方面被广泛应用,而且该系统表现出的非线性现象、自组织现象也吸引人们的关注。DBD系统中放电丝的等离子体参量受诸多因素影响,为了探究DBD系统的放电条件对等离子体参量的影响,该实验重新设计放电单元以保证在其他实验条件相同的情况下,对放电气隙间距和气体组分与等离子体参数之间的关系展开研究。本实验的放电单元为一个平板型玻璃框架气隙,该气隙由三个厚度均为1.2 mm,放电区域边长分别为40,30和20 mm的正方形玻璃框架复合而成,因此该放电气隙有三个放电区域,将此复合气隙放置于可调节气体成分和压强的真空室内,可以同时产生三种放电气隙间距分别为1.2,2.4和3.6 mm的等离子体放电丝。高速录像机拍摄的瞬时照片表明三种放电丝均为随机放电丝,即其放电类型均为流光放电。在垂直于放电气隙平面的方向设置光路,使用聚焦透镜获得清晰的成像,移动光纤探头实现空间分辨并采集数据。实验用光谱仪采集三种等离子体的氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_u) 谱线,根据谱线强度计算得到各类放电丝的分子振动温度;利用谱线中包含的氮分子离子N+₂第一负带系谱线(391.4 nm)和氮分子第二正带系394.1 nm谱线强度的比值反应放电丝中电子平均能量;改变气室内氩气的含量,得到了三种等离子体的分子振动温度和电子平均能量的变化趋势。实验结果表明：在氩气含量0%~60%区间内,随着氩气含量的增加,三种等离子体的分子振动温度均先升高后降低,整体趋势表现为相同氩气含量下放电气隙间距越小分子振动温度越高,即1.2 mm气隙厚度中的放电丝的分子振动温度最高,2.4 mm气隙厚度次之,3.6 mm气隙厚度的最低;随氩气含量的增加放电丝的平均电子能量先升高后降低,氩气含量相同时气隙厚度越小的放电丝的电子平均能量越高,即1.2 mm气隙厚度中放电丝的电子平均能量最高,2.4 mm气隙厚度的次之,3.6 mm气隙厚度中的最低。实验结果对于研究DBD系统中等离子体参量、工业生产等方面具有重要的参考意义。     

介质阻挡放电三层放电气隙放电丝的光谱特性研究

在空气与氩气组成的混合气体的介质阻挡放电实验中,采用发射光谱法,首次研究了放电气隙分别为：1, 4和2 mm三层放电气隙中的放电丝的光谱特性。这与以往的单层放电气隙或者是双层放电气隙中的放电丝在光谱特性方面有很大的不同。实验通过采集氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)谱线,计算出不同放电气隙中的放电丝的分子振动温度。利用氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子394.1 nm谱线的强度之比得到不同放电气隙中放电丝的电子平均能量。增加氩气在混合气体中的比例,得到分子振动温度及电子平均能量随着氩气含量增加的变化趋势。实验结果表明：在同一氩气含量下,分子振动温度从小到大的顺序为：2 mm放电气隙,1 mm放电气隙,4 mm放电气隙。电子平均能量从小到大的顺序为：4 mm放电气隙,2 mm放电气隙,1 mm放电气隙。三层放电气隙中放电丝的分子振动温度及电子平均能量均随着氩气含量的增加而减小。     

介质阻挡放电中单双层气隙内微放电通道的等离子体参量研究

采用H型放电间隙的介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体中,得到了三种新颖的等离子体发光斑图。较于传统获得的斑图,这三种发光斑图是产生在单层气隙与双层气隙结合的气隙装置之中。通过相机拍摄到的斑图照片,可以发现单层气隙和双层气隙中微放电通道呈现的发光亮度、颜色、放电面积等状态有所不同,这表明微放电通道所处的等离子体状态可能各不相同。通过分析这三种等离子体发光斑图, 利用发射光谱法首次研究了单层气隙和双层气隙内微放电通道的等离子体参量。实验通过采集氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算了单层气隙和双层气隙内微放电丝的分子振动温度,并进一步利用氩原子696.57 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽分析了单层气隙和双层气隙内微放电丝的电子密度。结果发现： 在左右相同厚度的双层气隙中,耦合微放电丝的分子振动温度基本相同,电子密度也趋于一致,单层气隙内微放电丝的分子振动温度要高于双层气隙内微放电丝,电子密度则小于双层气隙内微放电丝。单层气隙和双层气隙中不同微放电通道等离子体状态的差异性使之形成多种折射率的等离子体光子晶体,其周期性排布将具有更加丰富的带隙结构。     

介质阻挡放电中亮暗点超六边形斑图的光谱研究

采用双水电极介质阻挡放电装置,在空气和氩气的混合气体中,首次研究了由中心亮点和暗点组成的亮暗点超六边形斑图。通过观察斑图照片,可以发现暗点位于周围其他三个亮点的质心处,并且亮点和暗点的亮度有所不同,这说明亮点和暗点的等离子体状态可能不同。利用发射光谱法,研究了亮暗点超六边形斑图中亮点和暗点的等离子体参量随氩气含量的变化趋势。首先通过采集氮分子（N₂）第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)发射谱线,计算出了亮点和暗点的分子振动温度; 之后利用氮分子离子391.4 nm和氮分子394.1 nm两条发射谱线的相对强度之比,得到了此斑图中亮点和暗点的电子平均能量; 最后通过氩原子696.57 nm（2P₂→1S₅）谱线的展宽,研究了此斑图中亮点和暗点的电子密度。实验结果发现： 在同一氩气含量下,亮暗点超六边形斑图中暗点的分子振动温度、电子平均能量和电子密度均高于亮点的相应等离子体参量; 保持其他实验参数不变,随着氩气含量从70%变化到95%,亮点和暗点的分子振动温度和电子密度均是逐渐增大的,而电子平均能量则是逐渐减小的。亮点和暗点的等离子状态的不同,说明二者的放电机制可能不同。进一步采用高速录像机对斑图进行短曝光拍摄,发现亮点存在沿面放电,这些沿面放电交汇形成暗点。     

压强对介质阻挡放电中八边形结构等离子体温度的影响

利用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体中,首次观察到了由点和线组成的八边形结构。采用发射光谱法,研究了八边形结构中的点和线的等离子体温度随压强的变化关系。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π几_g)的发射谱线,计算了点和线的分子振动温度;通过氮分子离子391.4 nm和氮分子394.1 nm两条发射谱线的相对强度比,研究了点和线的电子平均能量大小变化;利用氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)和772.13 nm(2P₂→1S₃)两条谱线强度比法,得到了点和线的电子激发温度。实验发现：在同一压强条件下,线比点的分子振动温度、电子平均能量以及电子激发温度均高;随着气体压强从40 kPa增大到60 kPa,点和线的分子振动温度、电子平均能量以及电子激发温度均减小。     

氩气含量对介质阻挡放电中单丝等离子体温度的影响

在空气与氩气组成的混合气体放电中,首次研究了由中心点和外层晕组成的单丝。从照片中观察单丝结构,发现混合气体中氩气所占的比例越重,单丝的直径随之越小,同时中心点和外层晕的亮度有明显的差异,说明中心点和外层晕可能处于不同的等离子体状态。实验对单丝结构进行了光学时空分辨测量,研究了中心点和外层晕两层结构的微观特性。利用发射光谱法,详细地研究了该单丝结构的中心点和外层晕的等离子体参数随氩气含量的变化关系。实验根据氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)谱线计算了中心点和外层晕的分子振动温度;通过氮分子离子N+₂(391.4 nm) 第一负带系谱线与氮分子N₂(394.1nm)谱线强度比,反映中心点和外层晕的电子平均能量随氩气含量的变化关系;利用氩原子763.2 nm(2P₆→1S₅)和772.077 nm(2P₂→1S₃)两条谱线的相对强度比法,估算了中心点和外层晕的电子激发温度。结果表明：中心点的光信号对应着第一个电流脉冲, 且其光信号较弱;而外层晕的光信号同时对应着第一个和第二个电流脉冲, 且其光信号较强。在相同的氩气含量条件下,外层晕比中心点的分子振动温度、电子平均能量以及电子激发温度均要高。随着氩气含量从30%逐渐增大到50%,中心点和外层晕的分子振动温度是逐渐减小的,而电子平均能量和电子激发温度均是逐渐增大的。     

介质阻挡放电六边形斑图稳定过程的光谱研究

采用发射光谱法,首次研究了等离子体参数及激发状态对介质阻挡放电六边形斑图稳定性的影响。在氩气/空气混合气体的介质阻挡放电中,随着电压的升高,放电丝直径增大,六边形斑图逐渐稳定,同时放电颜色由紫色逐渐变为灰白色,说明其等离子体状态及参数可能发生了变化。测量了六边形斑图放电过程中氮分子谱线和氩原子谱线相对于氩原子763.51 nm的相对强度、分子振动温度和电子激发温度随外加电压的变化。结果发现：氮分子谱线相对强度随电压增加而降低,氩原子谱线相对强度却升高;分子振动温度与电子激发温度均随电压增加而增大。这些现象表明：随着电压增大,电子能量增加。由此,氩原子激发增多,放电丝直径增大,介质表面上沉积的壁电荷面积增大,放电丝之间的相互作用增强,六边形斑图趋于稳定。     

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。     

介质阻挡放电中超四边斑图沿面放电的光谱研究

利用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体中,首次观察到了超四边斑图沿面放电,它是由中心点和暗点组成的。通过观察普通相机的斑图照片,可以发现中心点位于周围四个暗点的中心处。利用高速录像机对斑图进行短曝光拍摄,观察发现中心点对应体放电,暗点对应沿面放电,暗点由这些沿面放电形成。中心点和暗点的亮度有所不同,这说明中心点和暗点的等离子体状态可能不同。采用发射光谱法,研究了超四边斑图沿面放电的的中心点和暗点的等离子体参量随氩气含量的变化趋势。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)发射谱线,计算得出了中心点和暗点的分子振动温度; 然后通过氩原子696.57 nm (2P₂→1S₅)谱线的展宽,研究了中心点和暗点的电子密度。实验结果表明： 在相同氩气含量下,暗点的分子振动温度和电子密度均高于中心点的相应等离子体参量; 在其他实验条件不变的情况下,随着氩气含量从90%增大到99.9%,中心点和暗点的分子振动温度和电子密度均逐渐增大。结果表明中心点和暗点的等离子状态不同,说明二者的放电机制可能不同。     

空气介质阻挡放电单个微放电通道发光强度及振动激发温度的空间分布

通过清洗放电方法,在平行平板介质阻挡空气放电中得到了单个稳定的微放电通道（又称放电丝）.测量了从瞬时阳极到瞬时阴极单个放电丝的发光强度及振动激发温度的空间分布.研究表明：在外加电压的每半周中放电丝发光呈现杯型分布,杯底位于瞬时阴极处;振动温度在两平行板间隙的中心处最高而在瞬时阳极处最低. 关键词： 介质阻挡放电 微放电通道 振动温度     

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。     

圆柱形介质阻挡放电等离子体光谱诊断

在350~1150 nm范围内对开放空间Ar气介质阻挡放电等离子体的发射光谱进行测量,表明Ar发射谱线主要集中在680 nm~950 nm,且都为Ar原子谱线。采用发射光谱相对强度对比法,选取相距较近且有相同下能级的727.29 nm(2P2-1S4),738.40 nm(2P3-1S4)和751.47 nm(2P5-1S4)三条光谱测量电子温度。通过对在Ar气和空气中放电谱线的对比和分析,得出发射光谱相对强度与电源功率的关系。最终得出若要便于工业应用和光谱测量,需要选择特定的气体流量和电源功率。