分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度

通过OH自由基A2Σ+→X2Π_r电子带系分子发射光谱测温法,实现了对氩气、氮气、空气三种大气压微波等离子体气体温度的测量。探究了不同微波功率、不同气体流量下气体温度的变化规律,测量了氮气、空气微波等离子体羽流的轴向温度分布。实验结果表明,不同工作条件下微波等离子体核心温度普遍超过2 000 K,空气微波等离子体可超过6 000 K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足：T_Ar<T_N2<T_Air;气体温度总体上随微波功率增加而小幅增加,随气体流量下降而小幅降低;氮气与空气等离子体羽流温度沿轴向迅速降低。为验证分子发射光谱测温法的准确性,以热电偶测温作为比对,对温度较低的介质阻挡放电氩气等离子体进行了温度测量,实验表明,分子发射光谱法与热电偶所测结果十分接近。     

微波脉冲氮气等离子体发射光谱测量

通过发射光谱测量和拟合不同的微波脉宽和气压下C波段微波放电的氮气等离子体振动温度、转动温度和电子激发温度。气压在266~400Pa时,等离子体的振动温度为(2700±100)K,电子激发温度为(0.32±0.015)eV,转动温度随脉宽增加而上升,实验中测得的最大转动温度为370K。偏离266~400Pa时,振动温度和电子激发温度同时出现了下降的趋势,而转动温度出现了上升的趋势。这意味着电子激发温度和振动温度具有很强的关联性。     

大气压等离子体辅助多晶硅薄膜化学气相沉积参数诊断

本文采用发射光谱法诊断了大气压下Ar气、SiCl₄及H₂气混合气体（Ar/SiCl₄/H₂）射频放电等离子体射流特性.利用Si原子谱线强度计算了电子激发温度并以此估算了Si原子数密度,研究了射频功率及气体流量对电子激发温度和Si原子数密度以及SiCl₄解离率的作用. 关键词： 大气压等离子体射流 发射光谱 电子激发温度 多晶硅薄膜沉积     

分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度（英文）

通过OH自由基A~2Σ~+→X~2Π_r电子带系分子发射光谱测温法,实现了对氩气、氮气、空气三种大气压微波等离子体气体温度的测量。探究了不同微波功率、不同气体流量下气体温度的变化规律,测量了氮气、空气微波等离子体羽流的轴向温度分布。实验结果表明,不同工作条件下微波等离子体核心温度普遍超过2 000K,空气微波等离子体可超过6 000K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足:T_(Ar)T_N_2T_(Air);气体温度总体上随微波功率增加而小幅增加,随气体流量下降而小幅降低;氮气与空气等离子体羽流温度沿轴向迅速降低。为验证分子发射光谱测温法的准确性,以热电偶测温作为比对,对温度较低的介质阻挡放电氩气等离子体进行了温度测量,实验表明,分子发射光谱法与热电偶所测结果十分接近。     

大气压射频氧气放电特性的数值模拟研究

基于漂移扩散近似,对大气压下氧气射频放电产生的等离子体建立了一维流体模型,包括了电子、正离子和负离子的连续性方程、电子能量方程及泊松方程。采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽的数值模拟,得到了相应的数值结果。通过对所得数值结果的分析,研究了大气压下氧气放电的基本特性。研究表明,大气压氧气放电中等离子体密度可达到10¹²cm^-3 ,电子温度约在1.23eV,放电中主要的负离子是O^-离子;随着电压峰值的增加,电子密度、电子温度都增加,但n_O-/n_e 的比率先增加到7.5%又后减小到5%,在电压峰值为700V 时达到最大。     

基于流体模型和非平衡态电子能量分布函数的高功率微波气体击穿研究

用流体模型研究高功率微波气体击穿时, 电子能量分布函数常被假设为麦克斯韦分布形式, 此假设可能将给模拟结果带来较大的误差. 通过求解玻尔兹曼方程, 得到非平衡状态下的电子能量分布函数. 分别将上述两类分布函数引入到流体模型中, 对氩气击穿进行了数值模拟. 结果表明, 基于非平衡分布函数得到的击穿时间与粒子模拟结果符合得很好, 而当平均电子能量较低时, 麦克斯韦分布函数的高能尾部导致了较短的击穿时间. 最后, 采用非平衡分布函数计算了不同压强下的氩气击穿阈值, 发现其与实验结果基本符合. 关键词： 微波气体击穿 电子能量分布函数 流体模型 玻尔兹曼方程     

大气压等离子体针产生空气均匀放电特性研究

大气压空气放电由于脱离了真空装置,易于实现流水线生产,因而在工业上具有广泛的应用. 采用等离子体针装置在空气中产生了稳定的大气压均匀放电. 利用光谱法对等离子体的相关参数进行了空间分辨率测量,并通过光学方法对放电机理进行了研究. 结果表明,等离子体针产生的放电存在电晕放电和等离子体羽放电两种模式. 在稳定的等离子体羽放电模式中,发光分为强光区和弱光区. 弱光区放电的发展速度远大于强光区的发展速度,电子能量和电子密度均是弱光区比强光区大. 对均匀放电的气体温度和振动温度的研究表明,强光区放电遵循汤生击穿机理而弱光区为流光放电. 这些结果对大气压空气放电的工业应用具有重要意义. 关键词： 大气压均匀放电 等离子体针 发射光谱 放电机理     

较大体积的大气压空气介质阻挡放电特性研究

利用三电极介质阻挡放电装置, 在主放电区产生了较大体积的大气压空气均匀放电. 利用光学与电学方法, 对主放电特性进行了研究, 发现随驱动功率的不同, 主放电存在等离子体羽和等离子体柱两种模式, 等离子体羽的击穿电压随外加电压峰值的增加而减小. 利用光电倍增管对两种放电模式进行了空间分辨测量, 发现等离子体羽是以发光光层的形式传播, 而等离子体柱是连续放电. 通过采集两种放电的发射光谱, 对其振动温度和转动温度进行了测量. 发现两种放电模式的振转温度均随着U_p的增大而降低. 关键词： 介质阻挡放电 等离子体羽 等离子体柱 发射光谱     

大气压直流微等离子体射流研究

介绍了一种结构简单、 制作方便的微米量级大气压等离子体射流。这种微等离子体射流由直流电源驱动,可在多种工作气体(如Ar,He,N₂等)中实现大气压放电,产生高电流密度的辉光放电。为了确定微等离子射流产生的激发物种成分,测量了以Ar和N₂为工作气体的等离子体发射光谱。利用发射光谱相对强度比值法测量了氩气微等离子体射流的电子激发温度。实验显示,其电子激发温度约为3 000 K,这远低于大气压等离子体炬的电子激发温度。利用N₂的二正带发射光谱得到微等离子体的振动温度约为2 500 K;利用其电学参数估算电子密度在1013cm-3量级。利用此微等离子体射流进行了普通打印纸表面处理的应用实验。结果显示,这种微等离子体射流能够明显的提高普通打印纸的亲水性。     

等离子体电极普克尔盒电光开关单脉冲过程数值模拟

采用流体模型对等离子体电极普克尔盒(PEPC)电光开关单脉冲过程进行了数值模拟分析.模型包括带电粒子连续性方程、动量守恒方程、电子平均能量方程及空间电位泊松方程.分别采用隐式指数差分格式，超松弛迭代法(SOR)和经典四阶龙格-库塔法(R-K)对带电粒子连续性方程，泊松方程和电子平均能量方程进行数值求解.模拟分析了PEPC单脉冲过程中的带电粒子浓度、电子温度、空间电场、PEPC的放电电流、晶体两侧电压和开关效率的时间演化特性.模型得出了PEPC中气体放电等离子体的微观物理过程与PEPC宏观参量的关系，对设计 关键词： 等离子体电极普克尔盒 电光开关 数值模拟 气体放电     

介质表面附近微波大气击穿的理论研究

将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解, 对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究. 分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究. 一维计算结果发现在n_e = 0, j = 0两种边界条件下, 虽然形成的等离子体密度分布相差较大, 但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大. 初始电子数密度厚度为20 mm的条件下, 得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况. 二维计算结果发现, 由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强, 电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体, 当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时, 波导中心介质表面处微波场强减小, 等离子体区域沿着介质表面向两侧移动. TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值, 因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.     

Modeling the propagation of long, intense microwave pulses inmixtures of air and SF6

Self-consistent equations-Maxwell's equations and the electron fluid transport equations-are used to study the interaction of long, intense microwave pulses with gases. The threshold for breakdown is a factor of seven higher in SF₆ than in air. This difference is attributed to the fact that SF₆ is an insulator. When SF₆ was mixed with air, the breakdown threshold increased with the increase in the percentage of SF₆. Introducing 5-10% of SF₆ in air increased the breakdown threshold by a factor of 3-4. The electron density and conductivity and the plasma frequency increased as the pulse intensity increased. The growth rates of the electron density and conductivity were much higher in air than in SF₆     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

喇叭有效口径渐变法测量高功率微波天线近场气体击穿

 设计了喇叭有效口径渐变法测量高功率微波气体击穿的实验方案,通过连续改变喇叭的有效口径改变天线近场的电场强度,使微波传输达到气体击穿的条件。介绍了实验原理及诊断方法,进行了L波段的高功率微波天线近场空气击穿实验,分析了实验中得到的典型波形。结果显示:脉宽30 ns、L波段的微波在0.4×105 Pa空气中击穿阈值为33.9 kV/cm。实验现象与设计吻合,验证了该方案研究微波气体击穿的可行性。     

垂直相交高功率微波大气击穿的理论研究

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解, 对垂直相交高功率微波电离大气产生等离子体的过程进行了模拟研究. 对于相干(同频)垂直相交高功率微波束, 只有当初始自由电子出现在(或到达)强场(干涉加强)处, 自由电子才会被加速并与本底气体发生碰撞电离, 在放电的开始阶段, 等离子体区域主要沿着强场区运动, 并逐渐形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域. 这个带状等离子体区域足够长以后, 由于其对电磁波的吸收和反射, 其将等离子体两侧的两束微波分割开. 随着时间的推移, 在等离子体附近的强场区, 不断出现新的等离子体带. 比较发现, 当其他条件相同时, 相干微波束产生的等离子体区域比非相干微波束大. 关键词： 相交高功率微波束 大气击穿     

空气和SF6气体击穿对微波传输的影响

通过喇叭有效口径渐变法进行了L波段、脉宽30 ns的高功率微波空气以及SF6气体击穿实验,给出了实验中得到的典型波形,分析了空气以及SF6气体击穿对微波传输的影响。实验表明:空气击穿产生等离子体对微波传输的影响主要表现为对微波功率的反射,使微波脉宽变窄,而SF6击穿则主要体现为对微波功率的吸收,使峰值功率降低。关键词: Abstract:Key words:     

Effect of air breakdown on microwave pulse energy transmission

The energy transmission of the long microwave pulse for the frequency of 2.45 GHz and 5.8 GHz is studied by using the electron fluid model, where the rate coefficients are deduced from the Boltzmann equation solver named BOLSIG+. The breakdown thresholds for different air pressures and incident pulse parameters are predicted, which show good agreement with the experimental data. Below the breakdown threshold, the transmitted pulse energy is proportional to the square of the incident electric field amplitude. When the incident electric field amplitude higher than the breakdown threshold increases,the transmitted pulse energy decreases monotonously at a high air pressure, while at a low air pressure it first decreases and then increases. We also compare the pulse energy transmission for the frequency of 2.45 GHz with the case of 5.8 GHz.     

高功率微波脉冲大气击穿概率研究

高功率微波大气击穿实验中,入射功率在大气击穿阈值附近,即使外界条件相同,大气击穿可能发生也可能不发生。针对这一问题,基于大气击穿机理,将大气击穿分为首个电子出现在击穿区域和高功率微波电场导致雪崩击穿两个过程。针对第一个过程,建立了改进的电子连续性方程,引入平均电子产生率分析大气击穿发生前电子出现的概率问题;针对第二个过程,建立了高功率微波大气雪崩击穿概率模型。综合两个过程,建立了高功率微波大气击穿概率模型,仿真了不同压强条件下大气击穿的概率,并与相关实验数据进行了比对,仿真结论与实验数据吻合较好。     

大气压低温等离子体发射光谱检测含磷有毒气体（模拟剂）方法研究

化学气体毒剂杀伤快、易扩散、难处置,一旦使用或泄露将对国家安全和社会稳定造成巨大威胁,因此有必要发展一种可以现场实时检测化学毒害气体的方法。目前,传统气体检测方法主要包括红外吸收光谱、气相色谱/质谱、离子迁移谱和各种气体传感器等,但其便携性、灵敏度、广谱性难以兼得,无法完全满足现场检测需求。基于发射光谱（OES）响应快、灵敏度高、广谱性好、可重复性强的独特优势,提出了一种大气压低温等离子体发射光谱检测技术。分别以纳秒高压脉冲、直流自脉冲和微波作为等离子体激励源,使用毒性较小的甲基膦酸二甲酯（DMMP）作为沙林模拟剂进行发射光谱检测;以乙醇作为环境有机干扰物,对乙醇与DMMP光谱进行了主成分分析;并探究了放电脉冲频率与特征光谱强度的关系。结果表明,三种激励源产生的等离子体都可辨别出DMMP特征光谱：P原子特征谱线波长为213.82和215.09 nm,PO基团谱带波长为253.67和255.6 nm。光谱识别度方面,使用微波激励源时DMMP特征光谱最为明显,而使用纳秒脉冲与直流自脉冲激励源时光谱连续本底强烈。方法适用性方面,微波等离子体无电极污染、但需要氩气维持,可作为建立毒害气体发射光谱数据库的手段;而纳秒脉冲与直流自脉冲激励源可在常压空气环境中直接检测。三种激励形式下等离子体区域都存在气体加热效应,微波等离子体气体温度最高（约1 300 K）,而纳秒脉冲和直流自脉冲放电气体温度相近（分别约为980和880 K）。研究发现,提升脉冲重复频率可以显著增加DMMP特征光谱强度,其与脉冲频率在1~40 kHz内呈线性关系（相关系数大于0.98）。所提出的大气压等离子体发射光谱检测方法具有响应快、操作简单等优点,可扩展性强、具有小型化潜力,为毒害气体快速检测装备研发提供了技术参考。