大气压氩气微放电通道中电子激发温度的时间演化

利用双水电极介质阻挡放电装置,采用光谱方法测量了大气压氩气介质阻挡放电微放电通道 中的电子温度的时间演化.选取波长为69654nm(2P₂→1S₅),763 51nm(2P₆→1S₅ ),77242nm(2P₂→1S₃)的氩原子谱线进行了时间分辨测量.实验 发现在放电期间,电 压波形开始下降,在放电熄灭后又开始上升.高能级为2P₂的跃迁（77242nm和 69654nm ）比2P₆的跃迁76351nm要延迟几十ns.根据其时间分辨谱,估算了微放电中的 电子激发 温度的时间演化,结果表明,电子激发温度并不是一个恒定值,而是随时间变化的.当放电 电流达到最大值,即电子密度达到最大值时,其电子温度并未达到最大值,而经过200ns 后 才达到最大值.关键词：大气压介质阻挡放电发射光谱电子激发温度微放电通道     

大气压氩气环境下体积介质阻挡放电光谱特性

通过介质阻挡放电产生的等离子体可与燃料中的烃类分子发生碰撞裂解反应,将燃料分子裂解生成更容易起爆的氢气和小分子烃类,能有效改善液体燃料连续旋转爆震发动机的起爆性能。该研究在真空仓中开展体积介质阻挡放电的丝状放电光谱测试,分析了大气压氩气环境下体积介质阻挡放电的电子激发温度和电子密度随加载电压的变化规律。丝状放电的电子激发温度通过波尔兹曼斜率法计算,电子密度采用斯塔克展宽法计算。发现发射谱线均由氩原子4p-4s能级跃迁产生;各谱线强度随加载电压的提高均呈上升趋势,且与电压基本呈线性关系;对于大气压丝状放电,加载电压对电子激发温度和电子密度没有明显影响作用,加载电压12.5～14.5 kV范围内,电子激发温度稳定在3 400 K附近,电子密度在1025 m-3量级。     

介质阻挡放电点燃大气压直流均匀放电的光谱研究

由于大气压均匀放电等离子体在工业领域具有广泛的应用前景,为了获得大尺寸的大气压均匀等离子体,采用氩气作为工作气体,在大气压空气环境中利用同轴介质阻挡放电点燃了针-板电极间的大气隙(气隙宽度达到5 cm)直流均匀放电。研究发现,同轴介质阻挡放电能够有效降低针-板电极间的击穿电压。该均匀放电由等离子体柱、等离子体羽、阴极暗区和阴极辉区组成。其中等离子体柱和阴极辉区都是连续放电。而等离子体羽不同位置的放电是不同时的。事实上,等离子体羽放电是由从阴极向着等离子体柱移动的发光光层(即等离子体子弹)叠加而成。利用电学方法测量了放电的伏安特性曲线,发现其与低气压正常辉光放电类似,均具有负斜率。采集了放电的发射光谱,发现存在N₂第二正带系、氩原子和氧原子谱线。通过Boltzmann plot方法对放电等离子体电子激发温度进行了空间分辨测量,发现等离子体柱的电子激发温度比等离子体羽的电子激发温度低。通过分析放电机制,对以上现象进行了定性解释。这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。     

大气压氦氩混合气体介质阻挡放电电学和光谱特性研究

以聚对苯二甲酸乙二醇酯作为介质,在大气压下产生氦氩混合气体放电等离子体。利用电压电流探头、数字示波器和数码相机研究了聚对苯二甲酸乙二醇酯介质阻挡氦氩混合气体放电的电学特性和发光特性。发现随氩气含量增加,每半个电压周期出现一个或多个电流脉冲,放电由均匀放电转变为斑图放电。利用衍射光栅和CCD探测器组成的光谱系统测量了氩原子谱线（696.54, 763.13, 772.09, 811.17和911.81 nm）光谱强度。研究了氩气含量、峰值电压对氩原子谱线光谱强度的影响。实验结果表明：在峰值电压较低时,上述五条氩原子谱线光谱强度随氩气含量的增加均呈现先增强-后减弱-再增强的变化规律;在峰值电压较高时,波长为696.54, 763.13和772.09 nm三条谱线光谱强度增强,波长为811.17和911.81 nm谱线光谱强度减弱。上述情况表明：在低峰值电压下,上述五条氩原子谱线光谱强度的变化规律是由于在放电过程中放电模式发生了变化;而在髙峰值电压下,五条谱线强度变化与气体激发机制有关。在氩气含量低于30%或高于80%时,氩原子谱线光谱强度随峰值电压的增加先保持不变,再增强到稳定值;在氩气含量介于30%～80%之间时,氩原子谱线光谱强度随峰值电压的增加也呈现先增强-后减弱-再增强的变化规律;利用玻尔兹曼图形法计算了氩原子放电的电子激发温度,得到了不同峰值电压下电子激发温度随氦气/氩气比例变化的规律：高峰值电压下电子激发温度明显高于低峰值电压下电子激发温度;电子激发温度随氩气含量增加而减小。出现上述变化规律的原因主要是由于电子与氦原子碰撞截面小,电子与氩原子碰撞截面大,而氦气扩散系数大于氩气扩散系数。     

直流大气压电晕放电电子密度的光谱研究

利用自制针—板式放电装置,在大气中进行电晕放电实验。用发光区域照片光斑的大小,讨论了电晕层厚度与电源电压的关系。在相同针板间距下,电晕层厚度随着电压的升高而增大;在相同电压下,电晕层厚度随着针板间距的增大而减小。由于高能电子密度能够通过氮分子第二正带系337.1 nm的光谱强度大小反映,因此对氮分子第二正带系337.1 nm谱线的强度用发射光谱法进行了测量。实验结果发现在针尖附近高能电子密度最大,并且高能电子密度随电压的升高而增大;电压一定时,高能电子密度随针板间距的增大而减小。在针板间距和电源电压不变的情况下,高能电子密度随针尖曲率半径的减小而增大。     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流.通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断.结果表明,射流中的...     

脉冲驱动氩气真空介质阻挡放电的光谱特性研究

通过自主设计正极性Marx纳秒脉冲电源,在不同放电频率、不同电源电压幅值下,采用发射光谱在真空环境下对氩气放电时的电子激发温度和电子密度进行测量计算。通过双谱线法选取合适的Ar原子谱线,求得电子激发温度在1 550～3 400 K之间,在正极性脉冲电源做电压源,且电源电压一定时,电子激发温度随着电源频率的升高而呈现上升趋势,在电源频率一定时,电子激发温度也随着电源电压的增加而升高。依据Stark展宽原理对真空体积介质阻挡放电时的电子密度进行了测量计算。电子密度的数量级可达10¹³ m^-3,当电源电压不变时,电子密度随电源频率的增加呈现上升趋势,当电源频率不变,电子密度随着电源电压的升高也逐渐提升。     

大气压直流氩等离子体光谱诊断研究

通过光谱诊断系统测量了大气压直流氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用波尔兹曼曲线斜率法计算了射流的电子温度,根据Ar Ⅰ谱线的斯塔克展宽得到射流的电子密度,并对氩等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE)状态的判定标准进行了分析,结果表明在文章的实验条件下大气压直流氩等离子体射流达到局域热力学平衡。     

大气压介质阻挡放电的光谱研究

使用水电极介质阻挡放电装置,分别在大气压空气和氦气中实现了稳定的高气压放电。通过水电极观察两种气体的放电,发现大气压空气中放电为空间随机分布的微放电丝,等离子体是不均匀的,而在氦气中放电没有微放电丝,空间分布比较均匀。比较而言,这种均匀放电产生的等离子体具有更广泛的工业应用前景。对两种气体中放电的电流波形进行了比较,发现空气中放电的电流脉冲在时间上是随机出现的而氦气中放电的电流脉冲在时间上具有周期性,并且空气中放电脉冲宽度约为几十ns而氦气中放电的电流持续时间较长,脉冲宽度大约为1μs。文章还对两种气体中介质阻挡放电发射光谱进行了研究,结果表明大气压氦气中均匀放电的N+₂(B2Σ+_u→X2Σ+_g)谱线391.4nm很强而在大气压空气放电中此光谱线很弱。这些研究结果对高气压条件下均匀放电的实现和大气压辉光放电的工业应用具有重要意义。     

直流激励的大气压氩气喷枪的光谱研究

利用正高压驱动空心针-板喷枪装置,通入工作气体氩气,在大气压空气中产生了均匀稳定的喇叭状等离子体羽。电学和光学测量结果表明,放电虽然是在直流电源驱动下工作,但放电为周期性的脉冲。通过对等离子体羽发光信号进行空间分辨测量,研究了脉冲的形成机理,发现除针尖附近的电晕放电外,等离子体羽是以正流光(等离子体子弹)从针尖向着接地电极方向传播的。采用光谱学方法,对电子激发温度随电压的变化及其空间分布进行了测量。结果表明,电子激发温度(约为3 eV)随电压的增大而升高,在一定电压下,电子激发温度沿气流方向也在升高。     

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。     

大气压低温氦等离子体射流的诊断研究

为了加快低温氦气等离子体射流的工程化进程,通过自主设计的同轴式介质阻挡放电等离子体射流发生器,在放电频率10 kHz,一个大气压条件下产生了稳定的氦气等离子体射流.通过分析不同工况下的电压电流波形可以发现单纯增加氦气体积流量只能小幅的增加电流脉冲幅值,而对放电时间、电流脉冲数的影响不大.增加放电峰值电压时电流脉冲幅值会...     

等离子体电子温度的发射光谱法诊断

电子温度是表征等离子体性质的一个重要参数。由于等离子体放电过程非常复杂,要实时准确测定其电子温度值非常困难。发射光谱法作为一种等离子体诊断技术,因其所使用的仪器相对简单,并采用非接触测量,灵敏度高,响应速度快,可广泛地应用于各种等离子体性质的研究和参数的诊断。文章介绍了测定等离子体电子温度的双谱线法、多谱线斜率法、等电子谱线法、Saha-Boltzmann法、谱线绝对强度法等多种发射光谱法,同时综述了这些方法在等离子体电子温度诊断中的应用,旨在为实际过程中选择合适的等离子体诊断方法提供参考。     

低压氩气电感耦合等离子体特性分析及光谱诊断

电感耦合等离子体具有电子密度高、放电面积大、工作气压宽、结构简单等特点,在等离子体隐身领域具有突出的潜在优势。相对于开放式等离子体,闭式等离子体更适应于飞行器表面空气流速高、气压变化大的特殊环境。研究着眼于飞行器关键部件的局部隐身应用,设计了一种镶嵌于不锈钢壁中的圆柱形石英腔体结构,利用电感耦合放电的方式在腔体中产生均匀的平板状等离子体。由于增加了接地金属,降低了腔体内的钳制电位,同之前的纯石英腔体相比,该结构显著改善了等离子体的均匀性。研究了该闭式腔体内氩气电感耦合等离子体（ICP）的放电特性和发射光谱,实验中放电功率达到150 W时,可以明显观察到ICP的E-H模式转换,此时发射光谱和电子密度都呈现阶跃式增长。氩气发射光谱强度随放电功率升高显著增加,但是不同谱线强度增加幅度并不一致,分析认为是受不同的跃迁概率和激发能的影响。根据等离子体的发射光谱,利用玻尔兹曼斜率法对电子激发温度进行诊断,得到电子激发温度在2 000 K以上,并且随功率升高而降低,因为功率增大使电子热运动增强,粒子间的碰撞加剧,碰撞导致的能量消耗也更大。电子激发温度沿腔体径向呈近似均匀分布,分布趋势受功率影响不大。针对利用发射光谱诊断电子密度误差较大、计算繁琐的问题,引入Voigt卷积函数,经过拟合滤除多余展宽项的影响,得到准确的Stark展宽半高宽。最终利用发射光谱Stark展宽法计算了电子密度,腔体中心处的峰值密度可以达到7.5×1017 m-3。随着放电功率增大,线圈中容性分量降低,耦合效率增大,电子密度随之增大,但空间分布趋势基本不受功率影响。     

激光诱导Mg等离子体电子温度的实验研究

利用波长为1 064 nm,最大能量为500 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温,一个标准大气压下对Mg合金冲击,改变激光能量,得到相应的Mg等离子体特征谱线。分析谱线,发现谱线有不同的演化速率,同时得到了MgⅠ,MgⅡ离子谱线,证明此实验条件下,激光能量足够Mg合金靶材充分电离。选择了相对强度较大的MgⅠ 383.2 nm, MgⅠ 470.3 nm, MgⅠ 518.4 nm三条激发谱线,利用这些发射谱线的相对强度计算了等离子体的电子温度,激光能量为500 mJ时,等离子体温度为1.63×104 K。实验结果表明：在本实验条件下,Mg原子可以得到充分激发;在200～500 mJ激光能量范围内,等离子体温度随着激光能量的降低而衰减,在350～500 mJ激光能量范围内的等离子体温度随激光能量的变化速度十分明显,200～350 mJ时等离子体温度变化速度迅速减缓;激光能量为300 mJ时,谱线相对强度明显减弱,低于350和250 mJ的谱线相对强度,不符合谱线相对强度会随着激光能量提高而上升的变化趋势,证明发生了等离子体屏蔽现象,高功率激光产生的等离子体隔断了激光与材料之间的耦合。此时的等离子体温度明显升高,不符合变化趋势,这是由于在发生等离子体屏蔽现象时,激光能量被等离子体吸收,导致等离子体温度上升。     

Surface excitation probabilities in surface electron spectroscopies

The phenomenon of surface excitation is competitive in nature for elastic and other inelastic scattering processes in surface electron spectroscopies; the knowledge of influence of surface excitations in electron energy loss spectra is then essential for quantitative surface analysis with these spectroscopies. The inelastic scattering of an electron moving in the vicinity of a surface is considered in a self-energy formalism to estimate the contribution of surface excitation in electron-solid interactions via the total surface excitation probability. The formulation uses the optical bulk dielectric function and provides the spatial and angular dependence of the differential and total inelastic cross-sections. The kinetic energy range of probing electrons considered is 100-5000 eV and the numerical evaluation of total surface excitation probabilities are performed for several metals, Au, Ag, Cu, Ni, Fe and Ti; empirical formulae for the surface excitation probability are given for each of these materials and compared with experimental results for the surface excitation parameter. The total surface excitation probability is higher in Ag as compared to other metals under consideration, for identical conditions of electron-solid interactions.     

细长金属管内产生的直流辉光等离子体发射光谱诊断

利用发射光谱法对金属管内形成的稳定氩氮直流辉光等离子体进行了诊断。通过对等离子体发射光谱谱线的研究确定了等离子体中的活性粒子成分;根据氩原子的玻尔兹曼曲线斜率法计算了等离子体中的电子激发温度;采用氮分子第二正带系跃迁(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算了等离子体中的氮分子振动温度;研究了电子激发温度和氮分子振动温度随压强的变化特征。研究结果表明,在20 Pa下产生的Ar60%+N₂40%直流辉光等离子体中,活性成分主要是Ar原子、Ar离子、N₂的第二正带系跃迁(C3Π_u→B3Π_g)和N+₂的第一负带系跃迁(B2Π+_u→X2Σ+_g);电子激发温度约为(15 270±250)K;氮分子(C3Π_u)振动温度约为(3 290±100)K;随着压强的增加电子激发温度、分子振动温度逐渐降低。文章的研究结果对细长金属管内表面改性研究具有重要的意义。     

单针与针-板喷枪放电特性的比较研究

通过光学与电学测量,对大气压氩气中运行的单针喷枪和针-板喷枪的放电特性进行了研究。结果表明两种喷枪产生等离子体的长度和截面积都随着外加电压峰值(U_p)的增大而增大。相同U_p下针-板喷枪等离子体截面积比单针喷枪大。相同U_p下针-板喷枪放电的外加电压比单针喷枪的低。通过采集两种喷枪放电的发射光谱,对其等离子体的电子温度和振动温度进行了比较。结果发现两种喷枪的电子温度和振动温度均随着U_p的增大而增大,且相同电压下针-板喷枪的温度高于单针喷枪。研究结果对大气压等离子体喷枪的工业应用具有重要价值。     

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。