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。     

介质阻挡放电羽的等离子体参数光学诊断

利用介质阻挡放电装置在大气压下产生了稳定的氩气等离子体羽,利用示波器对等离子体羽的外加电压、电流和发光信号进行了记录。光学诊断结果表明,等离子体羽由高速运动的等离子体子弹组成。基于碰撞辐射模型,利用300~800nm范围的光学发射谱诊断了等离子体羽的电子密度。结果表明,电子密度随外加电压和气体流量的增大而增大,随驱动频率的增大而减小。利用光谱法对等离子体羽的振动温度和转动温度进行了研究,发现其振动温度和转动温度均随外加电压和气体流量的增大而升高,随驱动频率的增大而降低。通过分析放电电场,对以上现象进行了定性解释。     

大气压氩气射流等离子体的光谱特性研究

等离子体喷枪是一种重要的等离子体源,已成为近几年低温等离子体研究的一个重要课题。本文利用钨针-钨丝网电极制作了直流喷枪装置,在大气压空气中产生了稳定的等离子体羽,并采用发射光谱的方法,对等离子体羽的等离子体参数进行了研究。在钨针电极与钨丝网电极之间放出耀眼的白光,钨丝网电极出口的气流下游有火苗形状的等离子体羽喷出。在电压保持不变的条件下(13.5 kV),等离子体羽长度随气体流量增加而增大;在气体流量保持不变的条件下(10 L·min-1),羽长度随外加电压的增大而增大。在气体流量一定的条件下,放电电压和放电电流呈反比例关系,即电压随着电流的增大而减小,说明放电属于辉光放电。采集了该喷枪在300～800 nm范围内的放电发射光谱,通过玻尔兹曼方法对放电等离子体电子激发温度进行了测量。结果表明,电子的激发温度随外加电压的增大而降低,随着工作气体流量的减小而升高。利用放电的基本理论对上述现象做了解释。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。     

沿面型介质阻挡放电喷枪的发光特性及气体温度研究

利用氩气作为工作气体,采用正弦电压驱动沿面型等离子体喷枪,在大气压空气环境中产生了均匀的等离子体羽。电学和光学测量结果表明,等离子体羽放电只存在于外加峰值电压的正半周期,并且正半周期的放电脉冲个数随气体流量的增加而增加。通过对正半周期不同位置的发光脉冲信号进行比较,发现等离子体羽均按子弹形式传播,其中每一个发光脉冲均对应一次等离子体子弹传播过程。通过对比放电电流和等离子体羽的发光信号,发现等离子体羽的发光脉冲滞后于放电电流脉冲,且该延迟时间基本服从正态分布。该延迟时间随着外加电压峰值及气体流量的增大而减小。利用光纤测温仪测量了等离子体羽的气体温度,发现气体温度随外加峰值电压的增大而升高,随工作气体流量的增大而降低。通过分析放电过程,对上述现象进行了定性解释。     

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。     

发射光谱研究大气压等离子体射流的气体温度

采用介质阻挡放电等离子体喷枪装置,在大气压下流动氩气中产生了射流等离子体。利用光电倍增管,对射流等离子体进行了时空分辨测量,分析了等离子体喷枪内介质阻挡放电和外部等离子体羽的放电特性。利用高分辨率光谱仪采集等离子体羽处的发射光谱,通过对发射光谱中OH(A2Σ+→X2Π,307.7～308.9nm)及N2+的第一负系(B2Σ+u→X2Π+g,390～391.6nm)谱线拟合得到了射流等离子体的转动温度,拟合得到的转动温度分别为443和450K。在5%的误差范围内,这2种方法得到的结果是一致的。由于在大气压下,转动温度近似等于产生气体放电的气体温度,所以可以确定大气压射流等离子体气体温度。利用该方法研究了不同电压下的气体温度,发现气体温度随着外加电压增加而增大。     

氩气等离子体射流诱导水生成OH自由基的研究

·OH在众多领域中具有非常重要的作用,在国际上引起了广泛关注,而大气压等离子体射流由于不需要真空、装置简单易于携带,且具有高浓度活性粒子、高电子温度、低射流温度等优点,具有极强的应用前景,成为气体放电领域的重要研究课题。特别是如何诱导等离子体射流中·OH的产生已成为等离子体射流领域一个新的研究热点。国外率先报道了将水蒸汽以一定的比例混入等离子体射流工作气体中以诱导产生大量·OH的研究,然而当含水量较高时,射流会剧烈摆动,放电变得十分不均匀、不稳定。为此,本文设计了一种大气压双环电极氩气等离子体射流诱导水产生·OH的装置,通过引入超声雾化装置增加等离子体羽周围的湿度以提高·OH含量,重点研究了不同电压、流量下诱导水生成OH(A2Σ+)的生成规律;利用发射光谱法测试了装置产生·OH的含量;并利用810.41和811.48 nm这两条Ar原子光谱线,计算了等离子体羽中的电子温度。结果表明等离子体羽可以诱导周围的水产生·OH,且随电压从20 kV增大到28 kV时,OH(A2Σ+)的产量逐渐增大;而当氩气流量从100 L·h-1增大到200 L·h-1时,·OH产量随着流量的增大而增大,但是当氩气流量从200 L·h-1增大到600 L·h-1时,·OH产量随着流量的增大而不断减小。OH(A2Σ+)的产量和电子温度变化趋势完全一致,证明了·OH的产量主要受电子温度的影响。     

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。     

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。     

大气压空气等离子体羽的振动温度研究

利用三电极介质阻挡放电装置,在大气压空气中产生了较大体积的等离子体羽。采用光学方法对该等离子体羽的特性进行了研究。发现随着外加电压峰值增加,每个外加电压周期的放电脉冲个数增加。通过采集等离子体羽的发射光谱,空间分辨地研究了放电等离子体羽的振动温度。结果表明等离子体羽的振动温度随着外加电压峰值的增加而减小;随着远离喷嘴的距离的增加,等离子体振动温度先增加后减小,当距离喷嘴5.4 mm时振动温度达到最高值。对上述现象进行了定性分析。研究结果对大气压空气等离子体羽在杀菌消毒等领域的应用具有重要意义。     

大气压Ar射频容性放电模式转变的温度表征

在大气压条件下Ar气流中实现了容性射频放电α和γ两种模式及其转变与共存.由于放电处于开放大气环境中,放电发射光谱中清晰地存在 N₂C³Π_u→Β³Π_g跃迁产生的第二正带和OH自由基 Α²Σ→Χ²Π跃迁的(0,0)带光谱.为了获得放电区域的宏观温度,针对氮的第二正带(0,1),(1,2)两个谱带,自编了拟合程序,用温度拟合方法获得了氮分子的转动温度和振动温度,研究了转动温度随放电功率的变化趋势,得到了温度突变与放电模式转变的相关性.利用Lifbase的发射光谱模拟功能,进行了OH自由基Α²Σ→Χ²Π(0,0)带光谱的模拟,通过与实验光谱对比,得到了与N₂光谱拟合结果相符的OH转动温度,以及相似的随放电功率的变化趋势,这说明放电空间内的中性物种达到了热平衡状态.根据放电伏安特性变化,放电模式转变对应的转动温度变化趋势得到确认,并且与放电形态的照片符合. 关键词： 大气压等离子体 放电模式 转动温度     

CARS spectroscopy of radio-frequency discharge plasma in hydrogen

The population of the vibrational and rotational levels of hydrogen is studied by the narrow-and broadband CARS spectroscopy in capacitive and inductive-capacitive radio-frequency discharge plasmas. Computational codes are developed to analyze and process CARS spectra of hydrogen obtained under conditions of disturbance of thermodynamic equilibrium over internal degrees of freedom of molecules. To interpret the measurement results, a model is developed, which makes it possible to calculate the vibrational temperature in radio-frequency discharge plasmas. It is shown that the broadband CARS spectrometer in combination with the software package developed appreciably reduces the time necessary to determine the vibrational and rotational temperatures.     

光谱法研究低气压空气介质阻挡放电均匀性

利用介质阻挡放电装置.在低气压空气中得到了均匀放电,并采用光谱法,研究了放电等离子体温度的空间均匀性.实验采集了氮分子光谱,采用氮分子第二正带系C3Ⅱu→B3Ⅱg计算振动温度;采用氮分子离子第一负带系计算转动温度(气体温度).实验发现,振动温度随电压增加而减小,而转动温度随电压增加而增大.等离子体振动温度和转动温度在空...     

Rotational and Vibrational Temperature Measurements in a High‐Pressure Cylindrical Dielectric Barrier Discharge (C‐DBD)

The rotational (T_R) and vibrational (T_v) temperatures of N₂ molecules were measured in a high‐pressure cylindrical dielectric barrier discharge (C‐DBD) source in Ne with trace amounts (0.02 %) of N₂ and dry air excited by radio‐frequency (rf) power. Both T_R and T_v of the N₂ molecules in the C ³Π_u state were determined from an emission spectroscopic analysis the 2^nd positive system (C ³Π_u → B³Π_g). Gas temperatures were inferred from the measured rotational temperatures. As a function of pressure, the rotational temperature is essentially constant at about 360 K in the range from 200 Torr to 600 Torr (at 30W rf power) and increases slightly with increasing rf power at constant pressure. As one would expect, vibrational temperature measurements revealed significantly higher temperatures. The vibrational temperature decreases with pressure from 3030 K at 200 Torr to 2270 K at 600 Torr (at 30 W rf power). As a function of rf power, the vibrational temperature increases from 2520 K at 20 W to 2940 K at 60 W (at 400 Torr). Both T_R and T_v also show a dependence on the excitation frequency at the two frequencies that we studied, 400 kHz and 13.56 MHz. Adding trace amounts of air instead of N₂ to the Ne in the discharge resulted in higher T_R and T_v values and in a different pressure dependence of the rotational and vibrational temperatures. (© 2005 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Spectroscopic measurements of non-equilibrium nitrogen plasmas at moderate pressures

A local vibro-rotational analysis of the excited species, produced in a 35 MHz discharge reactor in flowing nitrogen, has been carried out by measuring radial and axial emission intensities of some vibrational sequences and selected rotational lines of the (0,2) band of the second positive system (SPS) of N₂ (C³Π_u - B³Π_g), in the pressure range 5–35 torr.Radial from lateral band or line emission intensities have been obtained by applying Abel's inversion technique to derive the corresponding vibrational and rotational temperatures with the use of Boltzmann plots. General maps of emission intensities and of vibrational and rotational temperature distributions within the reactor have been drawn.It is shown that a decrease of a factor 10³ in the emission intensities from the core to the periphery of the discharge corresponds to a variation in T_V and T_R of only a factor ?2. This result has been interpreted on the basis of the kinetic mechanisms for the excitation and deexcitation of chemical species under discharge conditions. The decrease of _V and the increase of T_R with increasing pressure are interpreted according to V-R (vibration-rotation) energy-transfer mechanisms.     

空心针板放电等离子体气体温度和振动温度研究

使用空心针板放电装置,以氩气作为导入气体,在大气环境下产生了1.6~3 cm波长的等离子体炬。利用发射光谱法,研究了等离子体炬弧根和弧梢处的气体温度和振动温度,以及它们随气体流量的变化。等离子体气体温度通过对OH基309 nm附近的谱带进行拟合得到,等离子体振动温度由氮分子第二正带系C3Πu—B3Πg计算得到。实验发现弧根和弧梢处的气体温度相等,并随着气体流量的增大而下降。当气体流量从3.0 mL.min-1增大到6.5 mL.min-1时,气体温度由350 K下降到300 K。当气体流量较小(如3.0 mL.min-1)时,弧梢处的振动温度(1 950 K)高于弧根处的振动温度(1 755 K)。随着气体流量的增大,弧梢处与弧根处的振动温度均下降,但弧梢处下降速率较快。当气体流量较大时,二者趋于相等。     

Narrow-band BoxCARS applied to CO2 laser discharges

Summary CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) has developed into a powerful tool for studying molecular systems. One of its possibilities is to derive vibrational and rotational temperatures as well as concentrations of molecules from measurements of the energy level population differences. A very good spatial resolution of CARS technique is one of its important advantages. This feature has been utilized for making spatially resolved measurements of the vibrational and rotational temperatures of N₂ in a d.c.-excited transverse-flow CO₂ laser discharge. Apart from that also spectra of CO₂, CO and O₂ in the discharge have been taken, which allowed us to evaluate the spatial distributions of those components in the discharge. Additionally first investigations of a microwave-excited CO₂ laser module have been performed for comparison. Paper presented at the ?XI European CARS Workshop?, Florence, Italy, 23–25 March, 1992.     

Investigation of radial profiles of vibrational and rotational temperatures in nitrogen DC glow discharge

Spatially resolved measurements of vibrational and rotational temperature determined from the N₂(C) nitrogen bands intensities have been performed by means of optical scanner of original construction. It has been found that radial variations of studied bands are independent of pressure and discharge current under our experimental conditions, i.e. in the pressure range (100–300) Pa and for discharge current up to 40 mA. Moreover, it has been found that vibrational as well as rotational temperatures stay almost constant in the radial direction. No radial changes of both temperatures can be explained by good thermal conductivity of the positive column of DC glow discharge. This research was supported by grants: Charles University No. GAUK 194/01, Ministry of Education of Czech Republic MSM 11320002, and Grant Agency of Czech Republic GAČR 202/03/0827. The theme of presented article was included in the EU project No. G1RT-CT-2002-05083 “Plasmatech”.     

利用电晕放电实验研究NO分子γ电子带系发射光谱

基于NO分子的双重态能级结构特性,利用分子光谱理论分析和计算了NO分子γ带系(A2Σ+→X2Πr)的发射光谱,并通过电晕放电实验光谱进行验证。理论上计算了NO高低能级的双重电子态的能级分布,同时利用r质心近似法求取了能级间跃迁的电偶极矩函数,并得到了不同振动、转动能级间的爱因斯坦跃迁概率,然后计算出不同振动温度和转动温度条件下谱线的强度分布。最后进行NO和N2混合气体的电晕放电实验,通过将实验发射光谱同理论计算结果进行对比分析,确定了NO分子的振动温度和转动温度。     

Experimentelle Untersuchung von Emissionseigenschaften eines koaxialen Stickstofflasers

Inspection of the emission properties of a coaxial nitrogen laser with pulses of about 2 ns half-width and peak powers exceeding 20 kW leads to the following results: a) For the first time not only the 0 → 0 vibrational band but also the 0 → 1 and 1 → 0 bands in the second positive system of molecular nitrogen are observed in superradiant emission at gas temperatures of 300 and 400 K. Increasing the temperature in the laser has no considerable effect on the spectral intensity distribution. The theoretical results of Kaslin and Petrash for the dependence of the gain on the rotational quantum numbers of the upper laser level are verified qualitatively. b) The main reason for the decrease in power with increasing time of laser operation is found to be a growing rise time of the discharge current caused by the temperature dependence of the laser material dielectric loss factor. c) At certain working conditions laser pulses with two time separated power peaks are observed; no definitive explanation of this effect can be offered now.