大气压直流激励空气等离子体羽发光的时空演化

在针-针电极结构的放电装置中以环境空气作为工作气体,大气压下产生了刷形等离子体羽。尽管使用的是直流电源,但放电发光呈现出脉冲性质,发光脉冲频率几乎不受气体流速的影响,但与电源输出功率成正相关关系。等离子体羽的长度与气体流速或者电源功率成正相关关系。通道出口附近,777.4 nm的氧原子谱线强度分布是非对称的,阴极附近处的谱线强度高于阳极附近处的谱线强度。远离通道出口位置,谱线强度逐渐趋于轴对称分布。电学特性和10 μs曝光高速影像结果表明,空气等离子体羽实际上是由拱形放电丝在远离通道出口的运动过程中叠加而成,同时放电从弧光放电丝向均匀辉光放电转化。     

直流激励等离子体喷枪的发光特性研究

利用针-板喷枪装置,在直流电压激励下产生了大气压非平衡态低温等离子体羽。采用光学方法,研究发现等离子体羽的放电模式为脉冲放电。通过比较放电的总发光信号、337.1 nm谱线的发光信号与电流信号,发现电流信号脉冲宽度最大,337.1 nm谱线的信号脉冲宽度最小。通过对发光信号频率随电压的变化关系进行研究,发现放电脉冲频率随电压的增大而增大。利用光谱仪测量了337.1 nm的谱线强度,发现它随气流增大减小,随电压增大表现为先增大后减小。利用气体放电理论,对以上物理现象进行了定性解释。这些研究结果对于大气压非平衡态低温等离子体羽的产生和应用都具有重要意义。     

等离子体针放电的振动温度和气体温度研究

大气压等离子体针空气放电产生的低温等离子体由于脱离了真空装置,在工业上具有广泛的应用前景。本文采用等离子体针装置在空气中产生了稳定的大气压等离子体羽,并利用光谱法对等离子体羽的振动温度和气体温度进行了研究。结果发现大气压空气等离子体羽的放电区域分为强光区和弱光区。放电发光信号是宽度为几个微秒的脉冲。研究结果表明等离子体振动温度随空间位置不同在2 500～3 000K范围变化。振动温度在强光区随着远离针尖距离的增大振动温度呈上升趋势,在5mm左右存在极大值,在弱光区随着远离针尖距离的增大振动温度呈下降趋势。与其相似,弱光区放电的气体温度随着远离针尖距离增大,从640K降低到540K。这些结果对大气压空气放电的工业应用具有重要意义。     

直流大气压辉光放电高能电子密度的空间分布

利用针阴极和水阳极,在6 mm的空气隙产生了大气压空气辉光放电。该大气压辉光放电具有明显的负辉区、正柱区和阳极辉区等明亮的发光区。通过研究放电的电压电流特性,发现该放电处于亚辉光放电到正常辉光放电阶段。由于氮分子第二正带系337.1 nm的光谱强度反映高能电子密度,对337.1 nm谱线的强度进行了空间分辨测量。结果发现高能电子在针尖附近密度最大,而其他区域相差不多。随电压升高,高能电子密度减少。增大限流电阻,高能电子密度也减少。氧原子对杀菌消毒具有重要作用,利用发射光谱法对氧原子谱线强度的空间分布进行了测量,发现氧原子谱线强度与高能电子的空间分布及其随参数的变化关系一致。     

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。     

单针电极放电的发光特性

采用单针电极放电装置在氩气中产生了稳定的均匀等离子体。利用光学方法对单针放电特性进行了研究,结果表明单针放电等离子体的长度随外加电压峰值、气压的增大而增大,随空气含量的增大而减小。利用光电倍增管对单针电极放电等离子体羽的发光信号进行了空间分辨测量,发现靠近单针电极的羽头和等离子体羽其余部分放电行为不同。其中羽头源于针尖附近的电晕放电,它仅在外加电压负半周期的发光较强,正半周期发光几乎探测不到。而等离子体羽其余部分的放电在外加电压正、负半周期均存在,且正半周期强于负半周期。研究表明,外加电压正半周期的等离子体羽是源于发光光层(等离子体子弹)的传播,而负半周期等离子体羽的不同位置几乎同时放电。     

大气压氩气刷形等离子体羽的特性研究

大气压非平衡低温等离子体在生物医学和表面处理等方面具有广泛的应用前景,引起研究者的关注.等离子体射流是产生大气压非平衡等离子体的重要方式,但通常产生的等离子体羽尺度较小.针对于此,本文采用一个具有三电极的介质阻挡放电装置,在交流电压与负偏置电压的共同作用下,在流动氩气的下游产生了大尺度刷状等离子体羽(50.0 mm × 40.0 mm).结果表明,随着交流电压峰值的增加,等离子体羽的亮度增大.通过快速影像,研究发现视觉均匀的等离子体羽是由分叉流光的时间叠加构成的.电压和发光信号波形表明交流电压的每个周期放电一次,且放电出现于外加电压的正半周期.随着交流电压峰值的增加,分叉流光的分叉数量增多,导致放电脉冲的持续时间增加且脉冲强度增强.利用光谱仪测量了 300—850 nm的发射光谱,发现谱线包括308.0 nm处的OH (A~2E~+—X~2Π),N_2 (C~3Π_u—B~3Π_g)的第二正带系,Ar I (4p—4s)以及844.6 nm处的O I (3p~3 P—3s~3 S).基于发射光谱,研究了分子振动温度及谱线强度比随实验参数的变化关系.结果表明,电子温度、分子振动温度和电子密度具有相似的变化趋势.利用光化线强度比的方法,研究了等离子体羽中氧原子浓度随实验参数的变化.结果表明氧原子浓度沿气流方向先增加后降低,随工作气体中氧气含量的增加先增加后降低.此外,氧原子浓度随交流电压峰值的增大而增加,并对氧原子浓度的变化进行了定性的解释.     

大直径射流的放电特性及其等离子体参数和活性粒子分布的光谱诊断

大气压等离子体射流因其产生的等离子体羽富含活性粒子而在废水净化、元素探测、材料处理等方面具有良好的应用前景。通常等离子体羽的直径较小,限制了其工作效率。针对于此,利用交流电压激励大气压氩气等离子体射流,产生了直径约为14 mm的大尺度均匀等离子体羽。采用发射光谱法对电子密度和氧原子浓度随不同实验参数的变化关系进行了研究。光电测量结果表明,当外加电压峰值或氩气流量增加时,等离子体羽发光亮度增加。当电压峰值较低时,等离子体羽的上下游在电压的每个周期均有两个光脉冲信号,且上游光信号强度比下游的大。随着电压峰值增大,上下游等离子体羽的光信号强度都增大。当电压峰值较高时,上下游等离子体羽的光信号在每个电压周期呈现三个放电脉冲。不论每个电压周期放电脉冲数目多少,上下游等离子体羽的发光信号均具有同步性。利用光谱仪采集了300～800 nm范围内上下游等离子体羽的发射光谱,发现它们中均含有OH和N₂的谱线及ArⅠ和OⅠ谱线。其中,上游等离子体羽的ArⅠ谱线强度比下游的大,但OH和N₂的谱线强度比下游的小。利用谱线强度比对上、下游等离子体羽的电子密度进行了研究。结果表明,上游等离子体羽的电子密度在1014 cm-3量级,高于下游羽的电子密度（1013～1014 cm-3量级）。并且,上游和下游等离子体羽的电子密度均随外加电压峰值的升高而增加,随氩气流量的增加而增加。利用光化线强度法,研究了下游羽中氧原子浓度随实验参数的变化规律。结果表明,氧原子浓度沿气流方向降低;对于一个等离子体羽,平均而言氧原子浓度随外加电压峰值升高而增加,随氩气流量增加而增加。对于以上实验现象,利用气体放电的基本理论进行了定性解释。     

同轴介质阻挡放电中活性粒子的光谱检测

同轴介质阻挡放电具有广泛的应用前景。采用光学方法,利用水电极介质阻挡放电装置,对空气同轴介质阻挡放电特性及活性粒子光谱强度进行了研究。光谱测量结果发现放电发射谱中存在777.5和844.6nm的氧原子谱线,表明等离子体中产生了高化学活性的氧原子。测量了放电中氧原子谱线强度随物理参数(外加电压、流量和含量)的变化关系。结果发现氧原子谱线强度随着外加电压的增加而增强;随着流量或氩气含量(空气中混入少量氩气)的增加,谱线强度先增大后减小,当流量为30L.min-1或者氩气含量为16.7%时氧原子谱线强度达到最大值。     

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。     

Optical emission spectroscopy of point-plane corona and back-corona discharges in air

Results of spectroscopic investigations and current-voltage characteristics of corona discharge and back discharge on fly-ash layer, generated in point-plane electrode geometry in air at atmospheric pressure are presented in the paper. The characteristics of both discharges are similar but differ in the current and voltage ranges of all the discharge forms distinguished during the experiments. Three forms of back discharge, for positive and negative polarity, were investigated: glow, streamer and low-current back-arc. In order to characterize ionisation and excitation processes in back discharge, the emission spectra were measured and compared with those obtained for normal corona discharge generated in the same electrode configuration but with fly ash layer removed. The emission spectra were measured in two discharge zones: near the tip of needle electrode and near the plate. Visual forms of the discharge were recorded with digital camera and referred to current-voltage characteristics and emission spectra. The measurements have shown that spectral lines emitted by back discharge depend on the form of discharge and the discharge current. From the comparison of the spectral lines of back and normal discharges an effect of fly ash layer on the discharge morphology can be determined. The recorded emission spectra formed by ionised gas and plasma near the needle electrode and fly ash layer are different. It should be noted that in back arc emission, spectral lines of fly ash layer components can be distinguished. On the other hand, in needle zone, the emission of high intensity N₂ second positive system and NO _γ lines can be noticed. Regardless of these gaseous lines, also atomic lines of dust layer were present in the spectrum. The differences in spectra of back discharge for positive and negative polarities of the needle electrode have been explained by considering the kind of ions generated in the crater in fly ash layer. The aim of these studies is to better understand the discharge processes encountered in electrostatic precipitators.     

空心针-板电极大气压氩气辉光放电的特性研究

大气压均匀放电等离子体在工业领域具有非常广泛的应用前景,它是利用直流电源激励的空心针-板放电装置,以氩气为工作气体在大气压空气中产生均匀稳定的放电。对氩气流量和气隙间距对辉光放电发光特性的关系进行了研究,结果表明放电所产生的等离子体柱连接两个电极,发光较为均匀(观察不到放电丝)。在板电极附近放电等离子体柱直径最大,最大直径随着电流和气流的增大而增大。放电伏安特性研究发现,与低气压辉光放电相类似,两电极间的电压随着电流的增大而减小,并且随气流和气隙间距的增大而增大。对该大气压直流均匀放电在扫描范围为330～450 nm的光学发射光谱进行分析,获得了放电等离子体的分子振动温度和谱线强度比I_391.4/I_337.1随氩气流量和气隙间距的变化关系。I_391.4/I_337.1均随流量和气隙间距的增大而降低。对等离子体柱的I_391.4/I_337.1沿气流方向(等离子体柱轴向)进行了空间分辨测量,并进行了定性分析,结果表明,振动温度及电子平均能量随着远离空心针口距离的增大而增大。这些结果对大气压辉光放电在工业中的应用具有重要意义。     

Glow Discharge Characteristics of Hollow Needle-Plate Electrode in Atmospheric Pressure ArgonSCIEI北大核心CSCD

Atmosphere pressure uniform plasma has the broad application prospect in the industrial field. Using hollow needle cathode - plate anode device excited by direct-current voltage, a uniform and stable glow discharge is generated at atmospheric pressure in ambient air with argon used as working gas. The influence of the experimental parameters (including gas flow rate and the gas gap width) on discharge has been investigated by optical method. It can be found that a glow-discharge plasma column can bridge the two electrodes. The plasma column is uniform, and no filaments can be discerned. Near the plate electrode, the diameter of the plasma column is largest of all positions. The maximal diameter of the plasma column increases with increasing the discharge current or the gas flow rate. Through electrical method, the voltage-current characteristic has been investigated. It has been found that the discharge voltage decreases with increasing the current which is similar with the characteristic of glow discharge in low pressure. It increases with increasing the gas gap width or the gas flow rate. By analyzing the optical emission spectrum scanning from 330 to 450 nm emitted from the direct-current glow discharge, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated as functions of the gas flow rate and gas gap width. Results indicate that both the vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 decrease with increasing the gas flow rate or the gas gap width. In addition, the molecular vibrational temperature and the intensity ratio of spectral lines I-391.4/I-337.1 have been investigated in spatial resolution along the direction of gas flow(plasma column axial), and give a qualitative analysis as well. It is found that the vibrational temperature and the average electron energy increase with increasing the distance from the hollow needle cathode. These results are important to the industrial applications of glow discharge.     

Spectroscopic investigations of back-corona discharge on fly-ash layer

Results of spectroscopic investigations of back discharge generated in point-plane electrode geometry in ambient air at atmospheric pressure are presented in the paper. The back discharge was generated for the plate electrode covered with fly ash layer. To characterize the discharge process, the emission spectra were measured for the back discharges and compared with those obtained for corona discharge generated in the same electrode configuration but with dielectric layer removed. The measurements have shown that spectral lines emitted by the back discharge depend on the forms of discharge and the discharge current. From comparison of spectral lines of back and normal discharges an effect of the dust layer on discharge morphology can be determined. In normal conditions, the emission spectra are dominated by atmospheric components (molecular nitrogen, atomic oxygen and nitrogen) but for back-discharges, additional lines due to elements and compounds in fly ash were also identified. The studies of back discharge were undertaken because this type of discharge decreases the collection efficiency in electrostatic precipitators.