低温氩等离子体中的单探针和发射光谱诊断技术

使用静电探针和发射光谱分析方法，测量了实验室圆柱形辉光等离子体轴向I-V曲线和发射光谱.通过电子能量概率函数方法、Fermi-Dirac模型、低气压放电的Schottky扩散理论，分别计算了等离子体的电子温度、电子激发温度和电子密度.研究了利用等离子体发射光谱计算电子激发温度、低气压放电理论估算电子密度的方法与静电探针诊断方法的内在联系，讨论了不同方法的使用特点.所研究的方法在某些特殊环境的等离子体参数诊断中具有较好的参考和应用价值. 关键词： 静电探针 发射光谱 电子能量概率函数 Fermi-Dirac模型     

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     

大气压下氩原子谱线辐射诊断试验研究

大气压下介质阻挡放电应用领域具有多范畴、深广度、常态化等优势,针对同轴电极放电试验进行了系列参数诊断。采用自主研发的介质阻挡放电助燃激励器,在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV(间隔1.0 kV)条件下进行了氩气电离试验。采用原子发射光谱法(AES)对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;选用二谱线法及Boltzmann法测试了电子激励温度;根据Stark展宽效应计算了电子密度;获得了电子激励温度及电子密度随放电峰值电压增长的变化规律。结果表明,在试验电压条件下电子激励温度并不随外加电压的升高而递增,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外部电压的供给,而是取决于气体组份、气体压强和放电模型,增大外加放电电压仅增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500 K符合典型的低温等离子体特征;电子密度随外加电压的增长而趋于准线性趋势,电子密度数量级可达到108～109 cm-3,电离度偏弱。这些参数的探索对等离子体研讨有重大意义。     

直流大气压辉光放电高能电子密度的空间分布

利用针阴极和水阳极,在6 mm的空气隙产生了大气压空气辉光放电。该大气压辉光放电具有明显的负辉区、正柱区和阳极辉区等明亮的发光区。通过研究放电的电压电流特性,发现该放电处于亚辉光放电到正常辉光放电阶段。由于氮分子第二正带系337.1 nm的光谱强度反映高能电子密度,对337.1 nm谱线的强度进行了空间分辨测量。结果发现高能电子在针尖附近密度最大,而其他区域相差不多。随电压升高,高能电子密度减少。增大限流电阻,高能电子密度也减少。氧原子对杀菌消毒具有重要作用,利用发射光谱法对氧原子谱线强度的空间分布进行了测量,发现氧原子谱线强度与高能电子的空间分布及其随参数的变化关系一致。     

脉冲驱动氩气真空介质阻挡放电的光谱特性研究

通过自主设计正极性Marx纳秒脉冲电源,在不同放电频率、不同电源电压幅值下,采用发射光谱在真空环境下对氩气放电时的电子激发温度和电子密度进行测量计算。通过双谱线法选取合适的Ar原子谱线,求得电子激发温度在1 550～3 400 K之间,在正极性脉冲电源做电压源,且电源电压一定时,电子激发温度随着电源频率的升高而呈现上升趋势,在电源频率一定时,电子激发温度也随着电源电压的增加而升高。依据Stark展宽原理对真空体积介质阻挡放电时的电子密度进行了测量计算。电子密度的数量级可达10¹³ m^-3,当电源电压不变时,电子密度随电源频率的增加呈现上升趋势,当电源频率不变,电子密度随着电源电压的升高也逐渐提升。     

低气压长间隙介质阻挡放电的光谱诊断

设计了一种电极间隔为10 cm的介质阻挡放电装置,以氩气为工作气体,在低气压下产生等离子体。采用发射光谱法,研究了放电空腔内等离子体电子温度和电子密度随空间位置的变化规律。等离子体电子温度的变化通过使用Corona模型计算获得,等离子体电子密度的变化通过分析Ar原子750.4 nm谱线强度变化得到。实验发现空腔内不同位置的等离子体电子温度和电子密度是不同的。当测量位置从阴极向阳极移动时,电子温度先略上升而后迅速下降,再缓慢上升;电子密度先缓慢而后迅速地增大。     

基于氢原子碰撞辐射模型的发射光谱法诊断电子密度

基于碰撞辐射模型,利用氢原子的巴尔末线比对HUST射频负氢离子源等离子体电子密度进行诊断。首先针对HUST离子源等离子体的放电条件,建立了综合考虑氢原子直接激发和氢分子解离激发机制的碰撞辐射模型。基于建立的模型,利用氢原子的巴尔末线比来诊断电子密度。进一步分析了不同的氢原子分子密度比对电子密度诊断的影响,结果表明当电子温度较高,氢分子的解离度较低的等离子体放电状态下,必须同时考虑氢原子直接激发和氢分子解离激发对激发态氢原子的贡献。     

液相隔膜辉光放电发射光谱法检测水中钾和钠离子

研究了液相隔膜辉光放电发射光谱法对水中钾离子和钠离子的检测性能,考察了外加电压和有机添加剂甲醇对检测灵敏度和检出限的影响。结果表明提高外加电压和添加甲醇能提高检测灵敏度和降低检出限。在电压850 V,添加0.6%～0.8%甲醇时钾和钠的检出限分别为0.007和0.001 mg·L-1。液相隔膜辉光放电发射光谱法检测水中金属离子具有背景光谱干扰小和灵敏度高的特点。     

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明:当气体压强为250 Pa、输入功率为100~450 W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。     

远程Ar等离子的发射光谱研究

远程等离子体可以有效避免电子与离子碰撞产生的刻蚀作用,加强自由基反应,取得更好的改性效果,在膜材料领域具有重要的应用价值。为了更加深入研究远程等离子体中电子状态及其变化规律,采用发射光谱法对远程Ar等离子体进行了诊断,研究了射频功率、反应腔室内压强、距放电中心距离对远程Ar等离子体发射光谱强度、电子密度和电子温度的影响。结果表明,在690～890 nm区域中特征峰较为集中,由ArⅠ原子谱线占主导,且谱线强度的变化规律和电子密度的变化规律相同。通过玻尔兹曼斜率法选取3条ArⅠ谱线计算了不同放电参数下的电子温度。电子温度随射频功率、反应腔室内压强、距放电中心距离的改变而改变。射频功率从30 W增加到150 W时,电子温度从3 105.39 K降低至2 552.91 K。压强从15 Pa增加到25 Pa时,电子温度从3 066.53 K降低到2 593.32 K,当压强继续增加到35 Pa时,电子温度则增加至2 661.71 K。在距放电中心0～10 cm处由于等离子体电位增大,电子温度上升,而10 cm后电子温度不断下降在距放电中心80 cm处趋于0 K。通过分析ArⅠ696.894谱线的...     

大气环境下氩气空心针-板放电中OH和O的空间分布

研究了大气环境下氩气空心针-板放电等离子体中OH和O的空间分布。利用空心针-板放电装置,得到了3cm长的等离子体炬。首先采集了300～800nm范围内的光发射谱,发现除了ArⅠ谱线、N2第二正带系谱线C3Πu(ν′=0)→B3Πg(ν″=0)外,还出现了OH自由基的谱带、OⅠ谱线和较弱的H谱线。由于含氧活性粒子在材料表面改性中具有重要作用,实验选取了OH发射的309nm附近的谱带和激发态O发射的777.4nm谱线,分析了它们的相对强度,得到了粒子的空间分布。结果表明:沿等离子体从弧根到弧梢位置,OH自由基数量迅速减少,O原子数量呈现先增多后减少的规律。     

气液两相滑动弧放电中自由基的光谱研究

气液两相滑动弧放电是近年来出现的一种新型低温等离子体废水处理技术,对高浓度有机废水具有很好的降解效果。为了认识气液两相滑动弧放电降解有机废水的机理,用发射光谱法对气液两相滑动弧在空气中放电所产生的主要自由基进行了实验研究,分析了自由基持续再生的化学过程。通过对光谱线强度变化的分析,得到了OH和NO自由基谱线强度在放电反应空间的分布特点,以及输入电压和液相(水)流量因素对OH和NO自由基产生过程的影响。结果表明：OH是气液两相滑动弧放电的主导自由基;OH和NO自由基谱线强度沿着电极中轴均先增后减;在非平衡区域,自由基谱线强度随着输入电压的增大而增大;OH自由基谱线强度随水流量的增大而增大,NO自由基谱线强度则随着水流量的增大而减小。     

低电压下氮气放电的发射光谱分析

建立了一套直流放电产生氮气等离子体装置,该装置以碳纳米管修饰ITO电极为阳极,铝平板为阴极,两极间距~80 μm。在室温低电压(低于150 V)对氮气进行气体放电,利用发射光谱法对氮气放电过程中的活性物种进行了诊断研究。在直流电压下,观测到氮气发射光谱中能量最强最清晰的谱带N₂(C3Π_u),强度比较弱的Gaydon’s Green带系N₂(H₃Φ_u-G3Δ_g),以及820 nm附近氮原子的发射谱线(4p-4p0),发现氮分子的亚稳态是导致一系列激发态氮原子和氮气电离的主要因素,与交流电下(1.1 kV)产生的发射光谱相比,直流电下氮原子谱线光谱较强,且在500~800 nm范围检测到一个宽的分子谱带。考察了氧气与氢气对氮气发射光谱的影响,氧气对氮气的激发态有猝灭作用,使氮气发光强度降低,但其发射光谱图的谱型相似,都检测到氮气的第二正带系、Gaydon’s Green带系及氮原子谱线。当氮气与氢气的体积比为1∶1时,氮气的第二正带系及Gaydon’s Green带系都会受到很大的影响,说明加入的氢气可抑制氮等离子体激活,导致氮气的发光强度明显减弱,Gaydon’s Green System消失不见。碳纳米管修饰的ITO电极能使击穿电压降低,在10 V的低电压下,通过光电倍增管可观察到气体弱电离产生的光信号。     

大气压氩气环境下体积介质阻挡放电光谱特性

通过介质阻挡放电产生的等离子体可与燃料中的烃类分子发生碰撞裂解反应,将燃料分子裂解生成更容易起爆的氢气和小分子烃类,能有效改善液体燃料连续旋转爆震发动机的起爆性能。该研究在真空仓中开展体积介质阻挡放电的丝状放电光谱测试,分析了大气压氩气环境下体积介质阻挡放电的电子激发温度和电子密度随加载电压的变化规律。丝状放电的电子激发温度通过波尔兹曼斜率法计算,电子密度采用斯塔克展宽法计算。发现发射谱线均由氩原子4p-4s能级跃迁产生;各谱线强度随加载电压的提高均呈上升趋势,且与电压基本呈线性关系;对于大气压丝状放电,加载电压对电子激发温度和电子密度没有明显影响作用,加载电压12.5～14.5 kV范围内,电子激发温度稳定在3 400 K附近,电子密度在1025 m-3量级。     

Polymerdimethylsiloxane surface treatment with an atmospheric pressure helium plasma jet driven by unipolar nanosecond pulses

A nanosecond-pulse power source transfers energy to electrons of atmospheric pressure discharges in a nanosecond-scale rising time and shows different plasma chemistry than a slowly varying sinusoidal discharge. We report how the operation parameters, such as applied voltage, pulse duration, and repetition frequency, affect the discharge characteristics and the surface property of polydimethylsiloxane (PDMS). The applied voltage controls the energy delivery per a pulse cycle, and the repetition frequency dominantly affects the plasma density in a long-term operation. The water contact angle, the optical emission spectroscopy, and the atomic force microscope diagnostics on the PDMS are presented. While the polarity of the nano pulse bias changes the emission length of the plasma jet, the hydrophilicity is not affected by it because the chemical reactions by radicals are more dominant than the physical reactions of charged particles on PDMS.     

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。     

An influence of the electrode emission properties and the gas temperature on the discharge ignition voltage in the mixture of argon with mercury vapor

Kinetics of electrons, ions and metastable excited atoms in the interelectrode gap of a low-current discharge in the argon-mercury mixture is simulated, and the discharge ignition voltage as a function of the temperature and the cathode ion-electron secondary emission rate is calculated. The mixture temperature dependence of the minimum value of the ion-electron secondary emission rate ensuring a given discharge ignition voltage is found.     

脉冲放电等离子体/活性炭联合体系中OH自由基的发射光谱研究

基于OH自由基的强氧化性(2.8 V)及脉冲放电等离子体(pulsed discharge plasma, PDP)与活性炭(activated carbon, AC)联合体系的协同作用,依托于光谱检测技术简单、准确性高、灵敏度高等优点,利用发射光谱技术测量了以O2作为载气的PDP/AC联合体系中产生的OH自由基的相对发射光谱,用以表征体系中OH自由基相对生成量的变化。通过考察PDP水处理体系中不同AC添加量、脉冲峰值电压、电极间距对OH自由基相对发射光谱强度的影响,分析了影响OH自由基生成量的因素;通过比较,分析去离子水和酸性橙II(acid orange, AO7)溶液中OH自由基发射光谱强度的变化规律,表征了OH自由基生成量的变化,以说明PDP/AC的协同作用机理及OH自由基对有机物的氧化作用。研究结果表明,增加AC的添加量可以增强其在PDP体系中的催化效果,导致PDP/AC联合体系中OH自由基的相对发射光谱强度的增加;随着脉冲峰值电压的升高,注入PDP体系中的能量增加,从而增加了体系中OH自由基的产量;电极间距增加导致PDP体系能量效率降低,降低了OH自由基的产生量;无论是以去离子水还是以AO7溶液为溶液相,PDP/AC联合体系中OH自由基的产量均高于其在单独PDP体系中的生成量,且在PDP/AC联合体系和单独的PDP作用体系中,去离子水中OH自由基的相对发射光谱强度均高于其在AO7溶液中的强度值,这证明了AC对PDP体系中OH自由基生成的协同作用和有机物对OH自由基的消耗。     

大气压放电等离子体柱的光谱研究

大气压放电等离子体柱在飞行器隐身技术方面具有非常重要的应用。利用同轴介质阻挡放电水电极装置,大气压下在氩气中放电产生了长达65 cm的均匀等离子体柱。利用光学方法研究了等离子体柱的放电机理为发光子弹传播。通过测量发现该子弹的传播速度约为0.6×105 m·s-1。采用发射光谱法测量了等离子体柱的发射光谱中谱线强度比随外加电压和驱动频率的变化关系,其相对强度之比表征了电子平均能量。结果表明电子平均能量随外加电压和驱动频率的增加而增加。本工作对大气压下气体放电的工业应用具有一定的意义,在军事飞行器隐身方面具有广阔的应用前景。