超细Ar/O2大气压等离子体射流选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜

介绍了一种在大气压环境下产生超细Ar/O2等离子体射流的装置。为了降低等离子体射流的尺寸,一种特制的玻璃微针被用于制作等离子体射流源。当施加在电极上的电压为4.0 kV时,该装置能产生基本均匀和稳定等离子体射流,且等离子体射流的线宽仅有几m。此外,探究了该超细等离子体射流选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜的可能性。实验结果表明,该超细Ar/O2等离子体射流能有效地选择性去除聚氯代对二甲苯薄膜,去除速率可达2.4 m/min。因此,这种超细Ar/O2大气压等离子体射流有可能用于材料的超细加工。     

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     

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。     

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。     

Ar/H2O大气压等离子体射流放电特性

为了研究水蒸气体积分数对大气压等离子体射流放电机理及放电效率的影响,进而产生高活性低温等离子体并优化其效率。通过对大气压氩水等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了不同水蒸气体积分数时,等离子体射流的放电特性。通过计算放电功率、传输电荷量、电子激发温度、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量,研究了它们随水蒸气体积分数的变化趋势,并结合放电机理对所得实验结果进行分析。结果表明,Ar/H2O等离子体射流除了产生N2和Ar,还有OH和O,气体温度在525~720 K之间变化,为典型的低温等离子体;随着水蒸气体积分数的增加,等离子体羽喷出管口的长度减小,放电功率减小,发光强度减弱,转动温度和振动温度增加;相同功率下,水蒸气体积分数为0.5%时,产生的OH达到最大。     

大气压微等离子体射流电子密度研究

采用微空心阴极放电装置,利用光学方法和电学方法研究了大气压流动Ar和N₂混合气体中产生的微等离子体射流特性。研究发现,随着电源输入功率增大到一定数值,微空心阴极装置中两个电极间气体发生击穿,通过击穿气隙气体的流动会沿着气流方向产生最大为4 mm的等离子体射流。放电电流为准连续的脉冲放电形式,其中放电电流脉冲宽度约为0.1 μs。分别利用爱因斯坦方程和等离子体发射光谱中谱线的Stark展宽方法计算了电子密度。结果发现,2种计算方法得出的微等离子体射流的电子密度均在1015·cm-3的量级。研究还发现,功率对微等离子体射流电子密度影响不大。利用气体击穿理论,对以上结论进行了定性分析。     

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     

大气压电晕等离子体射流制备氧化钛薄膜

大气压等离子体因具有很多独特优势从而在材料制备和表面工艺领域备受关注.本文利用大气压针-板电晕放电等离子体射流制备氧化钛(TiO_2)薄膜,研究了电晕极性和放电参数对薄膜特性的影响.实验测试了正负电晕等离子体射流的电学性能、发展过程和发射光谱,并对不同条件下制备的TiO_2薄膜进行了表征和分析.结果表明:负电晕等离子体射流制备的TiO_2薄膜表面更均匀而且薄膜中钛(Ti)含量更高.正负电晕等离子体射流制备的薄膜的结合力均优于4.7 N/cm,表面电阻低于10~(10) Ω.此外,发现TiO_2薄膜在基底表面沉积和在气相中成核存在竞争机制,并进一步阐述了电晕放电等离子体制备薄膜的成膜机理和不同极性放电的差异.本文结果将为大气压等离子体制备均匀、致密的功能氧化物薄膜材料提供有益参考.     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断。结果表明,射流中的主要活性粒子为N₂的第二正带系、Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子,其中N₂的第二正带系的相对光谱强度最强、最清晰,在本试验的发射光谱中没有发现N+₂的第一负带系谱线,这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算,得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。随峰值电压的增大,电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势,这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。通过N₂的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断,发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间,其随峰值电压的增大而减小,这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能,但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短,进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小,从而导致等离子体振动温度的降低。     

封面故事

这是一幅为了研究大气压等离子体射流而拍摄的照片,氦气流的纹影（绿色部分）与等离子体射流被同时摄入照片．纹影术（Schlieren photography）常被用于流体动力学的研究．流体介质由于某种原因（例如热膨胀）产生的折射率分布会使通过其间的平行光线发生偏折,这为获得流体运动状态的影像提供了可能．氦大气压等离子体射流是在通过介电材料微管射人大气的氦气流中产生的冷等离子体“类子弹”流,可广泛地用于材料、生物样品以及人类活体表面的处理．为了研究这种等离子体射流的气流与放电行为之间的关系,我们自己设计搭建一套纹影摄影装置,将氦气流的纹影像和等离子体羽流同时摄人一张照片．这是国际上第一张关于大气压等离子体射流的纹影照片．     

常压双频驱动Ar/CCl4等离子体射流制备碳薄膜的研究

在大气压下双频Ar/CCl4 等离子体射流的驱动下,固定低频功率,通过改变射频功率在硅基底上制备了非晶态碳薄膜,并且通过程序进行相应的数值模拟计算。结果给出了不同功率下电子与离子的密度、温度、电场、电势、角度分布等参数对碳材料样品形貌的影响;样品变化趋势的预测及其原因的分析,以及与实验结果的对比。结果表明,对于双频大气压等离子体,射频可以独立控制等离子体的能量和反应强度,可以相对地控制产物。这为制备薄膜材料的形貌提供重要的实验基础。     

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。     

大气压直流氩等离子体光谱诊断研究

通过光谱诊断系统测量了大气压直流氩等离子体射流在弧室内和弧室出口的发射光谱,利用波尔兹曼曲线斜率法计算了射流的电子温度,根据Ar Ⅰ谱线的斯塔克展宽得到射流的电子密度,并对氩等离子体射流满足局域热力学平衡(LTE)状态的判定标准进行了分析,结果表明在文章的实验条件下大气压直流氩等离子体射流达到局域热力学平衡。     

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。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

大气压脉冲放电等离子体射流特性及机理研究

通过实验和数值模拟研究了大气压脉冲放电等离子体射流,其中在脉冲电压上升沿阶段的放电中形成等离子体子弹并向接地电极输运,其传播速度在10~4 m·s~(–1)量级.数值模拟研究还发现等离子体子弹邻近区域内增强的电场强度可达到10~6 V·m~(–1),说明等离子体子弹的形成主要由放电空间局域增强的电场导致,在接地电极附近会得到进一步增强.放电空间的电子密度时空演变过程揭示了等离子体子弹经过的区域会保持较高的电子密度,说明等离子体子弹的拖尾现象;而等离子体子弹头部增强的电子产生率与局域增强的电场强度对应,这说明了等离子体子弹产生的动力学过程.该大气压脉冲放电等离子体射流中等离子体子弹的特性和机理研究为发展大气压等离子体射流提供了理论和技术基础.     

大气压冷等离子体射流研究进展

有许多种方法可用于在大气中产生等离子体射流,冷等离子体（离子温度在室温附近）射流即是其中的一种.近年来,人们发现氦气或其它惰性气体通过毛细管介质阻挡放电形成的冷等离子体射流具有类似子弹的传输特性,在有机材料表面改性、等离子体医学等领域获得了广泛的应用.通过专门设计的一系列实验,我们逐渐揭示了其产生机理,并深入研究了传输特性.文章简要介绍近年来我们所做的有关大气压冷等离子体的实验过程以及获得的一些重要结论.在对这种等离子体深入了解的基础上,作者还开发了一种新装置,该装置的最大特点是既利用了氦气在辅助放电方面的特性,又不消耗这种昂贵的资源;并且它还特别适合于在臭氧层修复、等离子体医学等方面的应用.     

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。     

窄脉宽激光诱导背向选择性去除金属薄膜制备微电路(特邀)EI北大核心CSCD

为了在透明基板上制备出导电性能良好的微电路,研究了窄脉宽激光正向和背向选择性去除金属薄膜制备的微结构形貌特征,开展了纳秒激光选择性去除Cu薄膜(厚度为150 nm)的实验和温度场仿真研究,揭示了正、背面去除的烧蚀机理和材料的喷射机制。实验结果表明,当激光脉冲能量为0.270~0.542μJ,扫描速度为2 mm/s时,激光诱导背向去除金属薄膜在加工质量方面优于正向加工,其去除几何精度高,轮廓边缘平整,几乎没有溅射。采用优化后的纳秒激光加工工艺参数,激光脉冲能量为0.403μJ,扫描速度2 mm/s,扫描线间距为3μm,制备出均匀分布的铜阵列图案。在相同参数下对玻璃基板上的铜薄膜背向选择性去除,得到具有良好导电性和粘附性的微电路。     

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。