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得到较大幅度增加。通过发射光谱法对大气压氦气等离子射流的活性粒子种类、电子激发温度、电子密度进行了诊断。结果表明,大气压氦气等离子体射流中的主要活性粒子为He Ⅰ原子、N₂第二正带系、N+₂的第一负带系、羟基（OH）,H原子的巴尔末线系（H_α和H_β）与O原子,这表明虽然该试验中使用的氦气纯度已达99.99%,但其中仍残留有少量的空气,同时放电时大气中的空气会被卷吸到放电空间发生电离。还可以发现,主要活性粒子的相对光谱强度随氦气体积流量的增加及放电峰值电压的增大均呈现上涨的趋势。选用He Ⅰ原子的四条谱线对不同试验工况下的电子激发温度进行了计算,得到大气压氦气等离子体射流的电子激发温度在3 500~6 300 K之间,电子激发温度随放电峰值电压与氦气体积流量的增大总体上呈现上升的趋势。但由于反向电场的存在,某些峰值电压可能会出现电子激发温度下降的情况;根据Stark展宽原理对大气压氦气等离子体射流的电子密度进行了计算,发现电子密度的数量级可达1015 cm-3,同时增大峰值电压与氦气体积流量均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的研究对氦气等离子体射流在工程实际中的应用具有重要意义。     

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。     

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     

中等pd值介质阻挡放电中等离子体温度研究

近大气压条件下,在介质阻挡放电系统中得到了氩气和空气混合气体在300～800 nm范围内的发射光谱,研究了中等pd值(约6.4×103 Pa·cm) 氩气和空气混合气体中电子激发温度与分子振动温度。实验选用两条ArⅠ谱线763.51 nm(2P₆→1S₅)与772.42 nm(2P₂→1S₃),用强度对比法测量电子激发温度,利用氮分子第二正带系(C 3Π_u→B 3Π_g)计算氮分子振动温度。实验结果表明：电子激发温度和分子振动温度均随电压的增加而增加,并且电子激发温度随电压的变化速率大于分子振动温度的变化速率。     

一种新型大气压毛细管介质阻挡放电冷等离子体射流技术

介绍一种结构设计简单、操作运行方便的新型毫米量级大气压冷等离子体射流发生技术.这种射流可以在大气压条件下，利用多种工作气体(如Ar,He,N₂)，通过毛细管介质阻挡放电(DBD)的方式实现.使用频率为33kHz，峰值电压为1—12kV的双向脉冲电源，利用Ar,He,N₂等工作气体，在毛细管内形成了稳定的冷等离子体射流.放电区域的光辐射空间分布利用商用CCD摄像机记录，从中研究放电形态和空间分布，观察到了在DBD区域的流动气体放电和在毛细管出口处形成的等离子体射流 关键词： 冷等离子体射流 毛细管介质阻挡放电 射流射程 射流激发温度     

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。     

常压射流等离子体发射光谱研究

使用改进介质阻挡放电装置生成常压射流等离子体,采用光纤光栅光谱仪在300～1 000 nm范围记录了不同放电电压的氩气发射光谱,并比较了空气和氩气常压介质阻挡放电等离子体发射光谱,分析发现氩气发射光谱中的谱线都是氩原子的发射谱线,表明常压射流装置产生的等离子体全部为氩等离子体,而无其他空气成分参与放电。为测量电子激发温度,选用相距较近的763.51和772.42 nm两条光谱线对电子温度进行分析,结果表明电子激发温度的范围在0.1～0.3 eV,而且它还随着放电电压的增加而增加。初步使用“红外测温仪”测量被处理材料表面温度,结果发现材料表面的温度也随着放电电压的增加而增加,范围在50～100 ℃,材料表面温度的变化趋势可以近似表征等离子体宏观温度变化趋势。通过分析常压射流等离子体的温度特性,探讨了常压射流等离子体温度对材料改性研究的意义。     

棒-环电极大气压等离子体射流的光谱特性

通过设计新型的交流电压激励的氩气等离子体射流,在棒电极的上游与下游区域均产生了大气压非平衡态等离子体羽。该射流与平行场射流和交叉场射流不同,它的电场与气流方向的夹角可以在一定范围内变化。结果表明,随着外加电压或夹角的增加,上游羽的长度增加而下游羽的长度减小。利用光学和电学的方法,研究发现随着外加电压的增加,上下游放电脉冲的个数均增加。利用放电的光学发射谱,发现上游羽有Ar和OH的谱线,而下游羽除了Ar和OH的谱线外,还可以观察到N₂的谱线。并且下游羽的谱线强度比上游羽的略高。基于碰撞辐射模型,通过谱线强度比的方法研究了上下游羽的电子密度和电子激发温度。结果表明上下游羽的电子密度随着外加电压的增加而增加。上下游羽的电子激发温度也随着外加电压的增加而增加。并且,在同一外加电压时下游羽的电子密度和电子激发温度均比上游羽的高。此外,利用OH发射光谱研究了上下游羽的气体温度,发现下游羽的气体温度也比上游羽的略高。     

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。     

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。     

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。     

大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测...     

大气压空气滑动弧等离子体发射光谱诊断

为了解Ar添加对空气滑动弧等离子体的影响,在放电频率f=10 kHz、空气流量q_Air=15 L·min^-1、 1 atm下进行了Ar体积流量q_Ar对空气-Ar滑动弧放电的影响试验研究,重点分析了不同q_Ar及调压器电压U_调下空气等离子体的活性粒子种类、电子密度及振动温度。结果表明,滑动弧等离子体区的主要活性粒子为OH、 N₂的第二正带系、 Hα、 O原子、 ArⅠ及ArⅡ原子,其中O原子及ArⅠ、 ArⅡ原子的相对光谱强度明显较强;随着q_Ar的增大,O(777.4 nm)的相对光谱强度先缓慢增长、再快速增大到极大值、随后缓慢减小并趋于稳定,O(777.4 nm)的相对光谱强度在1 580～6 650 a.u.之间变化;随U_调增大,O(777.4 nm)的相对光谱强度增大,且电压对其影响受q_Ar的影响：在高q_Ar(4～6 L·min^-1)工况下,O(...     

Excitation, ionization, and reaction mechanism of a reactivecathodic arc deposition of TiN

This paper discusses the excitation, ionization and reaction mechanism of reactive cathodic arc deposition of TiN. Such arc plasmas art operated in the arc discharge type PVD apparatus. The 50 A arc is operated in N₂ atmosphere of 0.13 to 26.6 Pa. The arc voltage, the electron energy distribution and the spectral intensities are measured as a function of pressure. The deposited films are analyzed by XPS. It follows from the result that (1) the N₂ molecules impact with the high energy electron to be excited or ionized; (2) Ti ⁺⁺ ions which are initially emitted from the cathode spot recombine with electrons and turn Ti⁺ ions and Ti atoms and the recombination ratio increases with increasing pressure; (3) the TiN compound is produced on the substrate surface in the ensuing process, the excited N₂ are adsorbed on the substrate surface, the N ₂ are dissociated to N atoms through collisions with Ti⁺ ions of 40-60 eV, the N atoms react with the Ti atoms to form TiN     

基于连续谱的氩气纳秒脉冲放电中电子温度的研究

采用了一种针对针的放电结构,将其放置在一个高纯氩气的密闭腔室中,通过施加正极性的过电压产生可重复的大气压纳秒脉冲放电,并提出建立大气压放电的连续辐射模型来诊断氩气纳秒脉冲放电中的电子温度。实验利用电压和电流探头分别获取放电过程中的电压和电流波形图,其放电脉宽约为20 ns。通过消色差透镜、单色仪和ICCD等光学系统的组合来测量放电正柱区在不同时刻（0<t<20 ns）的时间分辨发射光谱。结果表明,放电中连续谱的强度随时间先增加（0<t<10 ns）后减小（10 ns<t<20 ns）,但是氩原子的谱线强度则随时间的增加而一直增大。研究表明连续谱强度与电子密度成正相关,因而电子密度随着时间也是先增加而后减小,这与放电电流的变化规律是完全一致的。根据连续谱模型拟合得到放电过程中（0<t<10 ns）的电子温度为(1.4±0.2) eV。随着驱动电压的下降（10 ns<t<20 ns）,电子温度逐步减小至0.9 eV。在0<t<10 ns中,激发态氩原子主要是由电子碰撞激发产生的,因而谱线强度随着电子密度的增加而增大。然后,随着电子温度的减小,Ar+₂复合反应速率激增,导致电子与离子的复合过程主导产生激发态氩原子,即谱线强度继续增大。通过加入0.5%的水蒸气以获取OH的振转光谱。实验发现,OH(A)的产生机制使其偏离玻尔兹曼平衡分布,本文采用了双温的OH(A-X)光谱模型来考察气体温度。在放电过程中,气体温度保持不变,大约为400 K。此外,水蒸气的加入使得短波长的连续谱发生显著增强。光谱分析认为H₂O在放电中能够解离产生H₂,继而与氩原子的亚稳态发生能量转移生成激发态H₂(a3Σ+_g)。H₂(a3Σ+_g)将会自发辐射跃迁到排除态H₂(b3Σ+_u),同时发射短波长的连续谱。由于短波长的连续谱对电子温度（T_e>1 eV）的响应较为灵敏,所以载气中少量的水蒸气将会对连续谱诊断电子温度带来较大的影响。     

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。