介质阻挡放电等离子体辅助氨制氢研究

在介质阻挡非平衡等离子体放电过程中,通过在电极两端施加电压,流经放电区域的气体被击穿,产生高能电子和激发态组分。这些活性粒子与气体分子发生非弹性碰撞引起分子的电离或离解,促进燃料的转化。本文主要从稀释气体、脉冲电压和燃料浓度三个方面进行研究,探讨不同稀释气体对放电过程中电流和反应区温度的影响、脉冲电压和燃料浓度变化时氨气的转化率及氢气生成的变化规律。     

介质势垒放电(DBD)等离子体中NO荧光发射谱研究

利用介质阻挡放电 (DBD)等离子体技术对大气污染物NO分子进行了光谱研究 ,得到了低气压条件下放电等离子体在 2 1 0～ 2 80nm光谱范围内的荧光发射谱。该谱明显的表现为双峰结构 ,谱线均成对出现 ,强度分布符合Frank Condon原理 ,且最大峰值位置出现在 2 36nm处 ,将该组谱线归属为NO分子的A2 ΣA →X2 Π1 / 2 ,2 / 3 跃迁。荧光产生过程为 :基态NO分子与高能电子发生非弹性碰撞被激发至激发态A2 Σ 后自发跃迁回基态同时辐射出荧光。通过测量等离子体中NO分子和N2 分子 337nm谱线强度随时间的变化关系 ,初步证实了放电等离子体中存在的NO分子的分解机制为 :e NO→N O e,N NO→N2 O ,O NO→NO2 hν。     

直流辉光放电等离子体轴向动力学过程的研究

采用磁流体动力学理论,考虑了电子与中性粒子的非弹性碰撞,应用有限差分法研究了直流辉光放电氩等离子体的轴向动力学过程,得到了氩等离子体密度、输运速度、温度以及电位的轴向分布,发现了气体压强和电极间距的变化对阴极区的电子密度有较大的影响,而对阴极区的离子密度的影响甚微。 关键词：     

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     

介质阻挡放电等离子体及其工业应用

 阻挡放电,也被称为介质阻挡放电或无声放电,它是一种由两个平行的平面电极或圆柱形电极间至少存在一个独立的介质层,并在交流供电条件下的放电情况(图1)。这种放电的主要优点在于可在大气压气体中产生非平衡态等离子体条件,并且这还是一种经济可行的好方法,因此它已经在许多方面有着广泛的应用。     

微放电等离子体多负辉区结构融合过程数值模拟研究

高气压下的微型电热推进器(MPT)中的放电等离子体存在多负辉区结构,其负辉区有融合趋势。对矩形微放电等离子体推进器(RMPT)的负辉区融合过程进行了二维模拟分析,在方法上采用了非平衡态的自洽流体模型,并考虑了离子电流加热和三体碰撞过程。结果显示:矩形微放电等离子体推进器(RMPT)在低电流条件下存在两个稳定的负辉区,当超过某一电流阈值条件后,两个负辉区会在腔体中心重合。分析了这一过程的成因,认为其融合过程本质上是空心阴极的导通过程,其融合与否与鞘层电压有关。     

复杂结构自组织等离子体光子晶体光谱研究

利用双水电极介质阻挡放电装置, 在气体放电中产生了一种由放电丝自组织形成的复杂结构等离子体光子晶体。该晶体结构由许多四边形的晶胞组成, 每个晶胞包括大点、两种不同的小点和线, 分别对应粗等离子体柱、两种细等离子体柱和等离子体片。采用发射光谱法, 对不同位置处的等离子体状态进行了研究, 对比了其电子密度和分子振动温度。具体方法是通过氩原子696.54 nm(2P2→1S5)的发射谱线测量谱线展宽进而对比电子密度, 通过氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线计算分子振动温度。结果发现: 四种不同位置的等离子体具有不同的电子密度和分子振动温度, 即它们各自处于不同的等离子体态。电子密度按照降序排列顺序依次为: 中心粗等离子体柱四周的细等离子体柱、粗等离子体柱、边缘处的等离子体片、等离子体片交叉点处的细等离子体柱;分子振动温度的变化趋势与电子密度相反。由于等离子体电子密度不同, 对光的折射率也不同, 因此在该晶体结构中, 粗等离子体柱、两种细等离子体柱以及等离子体片具有不同的折射率, 它们和周围未放电的区域自组织形成具有五种折射率的复杂结构等离子体光子晶体。该等离子体光子晶体易于产生, 具有结构多样、分析简单的优点, 具有广泛的应用前景。     

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。     

蒙特卡罗模拟在辉光放电鞘层离子输运研究中的应用

利用蒙特卡罗方法模拟氩气直流辉光放电鞘层内离子的运动过程.模拟基于离子与中性原子的电荷转移和弹性散射两种主要的散射过程，考虑了碰撞截面与能量相关和不相关两种情况，在弹性散射中采用了势场相互作用模型和刚性球碰撞两种模型.通过模拟得到不同气压和不同放电电压下离子入射阴极的能量分布和角度分布，并对几种模型的模拟结果进行了比较和讨论. 关键词： 辉光放电 等离子体鞘层 蒙特卡罗模拟     

激光等离子体相互作用的2(1/2)维粒子模拟程序

研制了2(1/2)维粒子模拟程序PLASIM(Plasma Simulator),介绍经过验证的该粒子模拟程序的算法,其特点是自含碰撞,即β粒子云模型的选取使得该程序无需额外的计算开销就能在程序中自洽地含有碰撞,使计算结果更加符合实际情况.另外电子和离子的运动都是相对论的,适于模拟超强激光与等离子体的相互作用.     

大气压介质阻挡放电超四边形斑图的等离子体参量

本工作利用双水电极介质阻挡放电装置,采用发射光谱方法,在大气压氩气介质阻挡放电中研究了由不同空间尺度 微放电通道构成的超四边形斑图的等离子体参量.实验发现直径较大的微放电通道(大点)和直径较小的微放电通道(小点)亮度不同.采用氮分子第二正带系谱线计算了分子振动温度,利用谱线强度比方法得到了电子激发温度,用氩原子696.54 nm谱线的Stark展宽估算了电子密度.结果显示小点的电子密度和分子振动温度均高于大点,而电子激发温度低于大点.这说明稳定超四边形斑图中不同尺度微放电的等离子体状态不同.     

大气压甲烷针-板放电等离子体中粒子密度和反应路径的数值模拟

甲烷针-板放电与重油加氢耦合形成甲烷转化重油加氢,可实现重油高效加氢并增产高附加值低碳烯烃,有实践应用前景和科学研究意义.建立二维流体模型,对大气压甲烷针-板放电等离子体进行数值模拟,得到电场强度、电子温度和粒子密度的空间与轴向分布,总结反应产额并提炼生成各种带电和中性粒子的关键路径.模拟结果表明,CH_3~+和CH_4~+密度与电场强度和电子温度的轴向演化接近且密切相关;CH_5~+和C_2H_5~+密度沿轴向先增大后减小;CH_3与H密度的空间和轴向分布几乎相同;CH_2,C_2H_4与C_2H_5的粒子密度分布在靠近阴极的区域内明显不同而在正柱区内较为相像;电子与CH_4发生电子碰撞电离生成的CH_3~+和CH_4~+,CH_3~+和CH_4~+分别与CH_4发生分子碰撞解离生成C_2H_5~+和CH_5~+;电子与CH_4间的电子碰撞分解是生成CH_3,CH_2,CH和H的主导反应;CH_2与CH_4和电子与C_2H_4发生的反应分别是生成C_2H_4和C_2H_2的关键路径;电子与CH_4间的电子碰撞分解反应和CH_2与CH_4发生的反应的产额各占H_2总产额的52.15%和47.85%.     

脉冲放电等离子体光谱干扰机制及其修正方法研究

为解决脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱(PF-SIBS)中钨电极激发引起的谱线干扰问题,研究了基于等离子体信号探测优化的谱线干扰修正方法。搭建PF-SIBS测量实验系统,以化学纯石墨的颗粒流为研究对象,根据电极间等离子体产生和消亡过程、各特征谱线在等离子体内的分布情况以及各特征谱线信号强度在电极间的变化规律,解析了放电等离子体内各特征元素蒸发、解离和激发的过程,并据此优化光谱探测位置以减弱谱线干扰。研究结果表明：电子在阴极斑点生成,向阳极发射的过程中与电极金属、石墨颗粒流和电极间空气介质发生碰撞电离,产生更多的电子发射,从而形成并维持从阴极向阳极的放电通道。在阴极区域,高能电场产生的焦耳热促使阴极尖端钨金属蒸发溅射,膨胀产生的冲击使得颗粒和空气被排出阴极区域,钨金属的原子及电子占据在阴极区域;在放电通道中部,电子与密集的石墨颗粒流发生碰撞电离;在阳极区域,剩余的放电能量难以蒸发阳极金属,电子主要电离空气介质。可将阴极到阳极的区域划分为阴极金属激发区、中部颗粒激发区和阳极空气激发区。被电离的电极金属、石墨颗粒、空气介质的离子和中性原子占据各自的激发区域,形成等离子体并辐射出对应的特征谱线...     

复杂结构自组织等离子体光子晶体光谱研究

利用双水电极介质阻挡放电装置,在气体放电中产生了一种由放电丝自组织形成的复杂结构等离子体光子晶体。该晶体结构由许多四边形的晶胞组成,每个晶胞包括大点、两种不同的小点和线,分别对应粗等离子体柱、两种细等离子体柱和等离子体片。采用发射光谱法,对不同位置处的等离子体状态进行了研究,对比了其电子密度和分子振动温度。具体方法是通过氩原子696.54 nm(2P₂→1S₅)的发射谱线测量谱线展宽进而对比电子密度,通过氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算分子振动温度。结果发现：四种不同位置的等离子体具有不同的电子密度和分子振动温度,即它们各自处于不同的等离子体态。电子密度按照降序排列顺序依次为：中心粗等离子体柱四周的细等离子体柱、粗等离子体柱、边缘处的等离子体片、等离子体片交叉点处的细等离子体柱;分子振动温度的变化趋势与电子密度相反。由于等离子体电子密度不同,对光的折射率也不同,因此在该晶体结构中,粗等离子体柱、两种细等离子体柱以及等离子体片具有不同的折射率,它们和周围未放电的区域自组织形成具有五种折射率的复杂结构等离子体光子晶体。该等离子体光子晶体易于产生,具有结构多样、分析简单的优点,具有广泛的应用前景。     

电容耦合分区放电等离子体的研究

介绍了一种新的大气压下空气中等离子体产生方法─── 电容耦合分区放电。该方法综合了电晕放电和介质阻挡放电的优点,在大气压下可以生成大规模、高密度、均匀稳定的非平衡等离子体。其放电功率可达常规介质阻挡放电100倍以上,且可根据需要灵活调整。     

大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果

 介绍了一种同轴电极的射流等离子体发生装置,可以直接在大气中将生成的氦气辉光放电射流等离子体喷出进行杀菌消毒,无需反应容器和真空系统,并从电压、频率、流速等方面讨论了该同轴等离子体发生器的放电特性。在稳定的放电条件下,利用实验装置进行了大气压下的等离子体灭菌实验,验证了本装置在等离子体灭菌应用上的可行性和易操作性。灭菌结果表明：在最初的2 min内,细菌减小趋势明显,3 min后细菌几乎全部消亡。     

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     

束—等离子体放电中低频等离子体波的非稳定性研究

本文采用非中性冷等离子体模型,研究了沿磁场入射的电子束和等离子体相互作用引起的低频等离子体波的非稳定性。计算表明,在束-等离子体放电情况下,振动频率和增长率都随电子束密度增加而增加,当束电流一定时,它们随l增加而略有增加。l=1时其频率数量级与离子迴旋频率相同。l≥3时,振动频率几乎不随k_z变化,其振动频率和增长率数量级与低混杂振荡频率相同,实质是低混杂漂移非稳定性。理论结果与实验一致。     

H2O/N2脉冲流光放电和介质阻挡放电发射光谱比较

本文采用脉冲流光放电和介质阻挡放电两种放电形式分别获得了H2O / N2等离子体的发射光谱。 OH荧光辐射在两种放电等离子体中均出现,而Ha荧光辐射仅存在于脉冲流光放电等离子体中。实验还对脉冲流光放电条件下H、OH 荧光信号进行了时间分辨测量,结果显示Ha荧光信号滞后OH荧光信号约10 ns。根据时间分辨测量结果以及水分子离解的相关文献,实验判断等离子体内水分子离解的主要产物是基电子态的H原子和OH自由基,Ha荧光辐射源于快电子对H原子的次级碰撞激发。介质阻挡放电等离子体的放电脉冲宽度较窄,不能对基态 原子进行有效地次级碰撞激发,所以H2O / N2介质阻挡放电等离子体发射光谱中没有出现Ha荧光辐射。实验结论证实放电脉冲宽度对放电等离子体内次级碰撞激发过程有影响。     

氩气/甲烷/空气介质阻挡放电等离子体的发射光谱诊断

为了获得可燃气体的放电及等离子体发射光谱特性,进一步揭示等离子体助燃作用下燃料在稀燃状态的点火与燃烧特性,在常压下以氩气作为载气对预混的甲烷和空气进行放电研究。实验基于平行板电极射频(13.56 MHz)介质阻挡放电的等离子体发生装置,首先在常压下对体积分数为90%氩气/10%空气的混合气体开展放电研究;再在90%氩气含量不变的情况下,调节空气含量并加入与之能形成燃烧化学当量比Φ＝1的甲烷,氩气/甲烷/空气的混合气体同样能实现稳定而均匀的放电;最后分别在90%氩气含量不变,甲烷和空气在当量比为Φ＝0.4～1.9六种情况下进行放电实验。由光谱仪记录不同放电工况下的发射光谱信息,诊断反应产物类型,利用观测到的氮分子第二正带系(0-2)380.4 nm和(1-3)375.4 nm处的发射谱线,与自编程序计算的模拟谱线拟合,得出分子转动温度(即气体温度)。研究结果表明：通过拟合模拟光谱与实验所测发射光谱的方法推测分子转动温度,进而获得气体的平动温度,氩气/空气放电的气体温度可达到1 150 K,氩气/甲烷/空气Φ＝1时放电气体温度升高到1 390 K;甲烷与空气形成不同当量比时,所测等离子体气体温度相对于90%氩气/10%空气混合气体温度的温升在70～240 K范围变化;由光谱信息观测到CH,H,OH和CH₂O等活性粒子的存在以及气体温度的升高,表明可燃成分混合气在射频电场放电作用下发生等离子体燃烧化学反应并释放出化学热。