低气压闭式等离子体放电实验及光谱诊断

闭式等离子体可以克服等离子体隐身技术在开放环境中等离子体难以维持及能耗过大的问题。针对等离子体隐身应用,设计了一种封闭式的等离子体发生装置,选用微秒脉冲电源,以氩气为工质气体,在低气压环境下进行了放电实验。采用发射光谱法,测量了密闭腔体内部厚度方向上的Ar谱线强度,并将碰撞-辐射模型用于分析等离子体参数的分布规律。当放电参数确定时,给定电子温度和电子密度,可通过碰撞-辐射模型计算得到2p能级上的布居分布比值,将其与从光谱数据中得到的布居分布比值进行比较,当差异值最小时,即可确定相应的等离子体参数。通过对电子温度在1～5 eV范围内的2p9和2p1能级布居分布比值进行计算,分析了碰撞-辐射模型计算可能存在的误差。实验结果表明,在厚度方向上,封闭式腔体中的等离子体电子密度达到1011 cm-3量级且呈一定的梯度分布,但变化幅度不大,其分布情况有利于等离子体隐身技术的应用。     

激光诱导放电等离子体极紫外辐射的模拟

极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环,激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一.本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型,对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟,模拟复现了放电过程中的箍缩现象,得到的极紫外光的转化效率与实验符合.研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响,该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.     

亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟

以临近空间高超声速飞行器和航天器再入大气环境飞行过程中其表面产生的高密度非平衡态等离子体为研究对象,基于本研究组所建立的多相交流电弧放电等离子体实验平台(MPX-2015),开展了非平衡态氩等离子体射流特性的二维数值模拟研究.在亚音速条件下二维、非平衡数值模拟所得到的计算结果与实验测量结果符合良好.超音速条件下的数值模拟结果表明,随着真空腔压强的降低,等离子体射流流速明显增大,覆盖钝体头部的等离子体鞘套的厚度先减小,而后又增加,鞘套的空间均匀性以及等离子体向钝体表面的总传热量均显著降低,而钝体头部的局部电子数密度则增大.数值模拟结果为在MPX-2015上开展超音速条件下的实验研究提供了理论指导.     

亚大气压六相交流电弧等离子体射流特性研究:实验测量

以临近空间高超声速飞行器以及航天器再入大气环境飞行过程"黑障"问题的研究为背景,进行了多相交流电弧放电实验装置的物理设计,建立了六相交流电弧等离子体实验平台(MPX-2015),在背景压力为500 Pa的亚大气压条件下获得了最大直径和长度分别达到14.0 cm和60.0 cm的等离子体射流.研究了工作气体流量、真空腔压强、电极间距以及弧电流等因素对等离子体自由射流和冲击射流特性的影响规律.结果表明:在实验参数范围内,真空腔压强对等离子体的射流特性影响最为显著,等离子体自由射流的长度和直径以及冲击钝体条件下的鞘套有效工作长度和厚度均随着压强的降低而增大;提高沿电极环缝注入的工作气体流量或弧电流亦有利于等离子体鞘套尺寸的增加.上述工作有助于进一步开展临近空间飞行器与其周围复杂介质环境间复杂的气动热效应和"黑障"问题的研究.     

一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究

大气压介质阻挡放电（DBD）等离子体射流获得了广泛的应用.但是到目前为止,人们对其形成机理仍不甚清楚.为此,本文对其进行了一系列的实验研究.与其他采用高速CCD进行的研究不同,本文研究的主要手段是两个带有狭缝的光电倍增管,数码相机和电学测量.虽然这些实验条件相对比较简陋,但是本文仍然根据这些实验结果探讨了等离子体射流的形成机理,传输特性,以及影响等离子体射流长度的实验参数,并发现了“电荷溢流”现象. 关键词： 介质阻挡放电 电晕放电 大气压等离子体射流 电荷溢流     

气体放电等离子体特性测量I-V曲线不对称性的研究

利用气体放电双探针法研究了等离子体的I-V曲线中的电流I相对于电压V轴交点的不对称性,并提出2种可能的解释:一认为是由于两探针表面积不同引起的;二认为是由于探针所在处等离子体电位不等引起的.本文利用仪器的工艺误差和调换放电管电压的方法,对提出的2种可能原因分别进行验证,并指出第二种解释的合理性,并对其进行了理论分析.     

大气压介质阻挡射流放电离子速度分布的测量

通过测量大气压介质阻挡放电等离子体辐射信号,建立偶极子辐射模型,利用快速傅立叶变换,计算了大气压介质阻挡放电等离子体中离子速度分布。计算结果表明,速度分布偏离麦克斯韦分布,并且随着放电过程的进行,离子速度及相对离子数进行有规律的变化。     

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%.     

脉冲气体放电管特性测量实验

用TDS210型存贮示波器测量了脉冲气体放电管(闪光灯)的放电特性，同时用PIN型硅光电池测量脉冲光的波形，测量了它们之间的延迟，并计算了脉冲气体放电管的动态电阻，讨论了放电过程从触发到结束的物理图象．     

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研究了滑动弧放电过程中电参数的变化,并对滑动弧等离子体中的非平衡度和各个参数之间的关系进行了讨论。应用双通道电弧模型,对电弧在气流作用下运动规律进行了数值模拟,模拟所得的结果有助于分析滑动弧非平衡等离子体的产生机理。     

利用密度反馈实现离子源长脉冲放电

介绍了等离子体密度对离子源放电的影响,为了获得长脉冲放电,采用朗缪尔探针测量等离子体密度并反馈调节离子源放电。基于朗缪尔探针测量,设计了控制部分硬件与软件构架,建立了离子源等离子体密度反馈控制系统,并成功地应用于离子源等离子体放电实验,通过反馈调节实验进气,得到了长达4.5 s的长脉冲放电,为中性束注入稳态运行提供了依据。     

Basic characteristics of an atmospheric pressure rf generated plasma jet

A plasma jet has been developed which operates using radio frequency (rf) power and produces a stable homogeneous discharge at atmospheric pressure. Its discharge characteristics, especially the dependence of stable discharge operating range on the feed gas, were studied, and the electric parameters such as RMS current, RMS voltage and reflected power were obtained with different gas flows. These studies indicate that there is an optimum range of operation of the plasma jet for a filling with a gas mixture of He and O_2. Two "failure" modes of the discharge are identified. One is a filamentary arc when the input power is raised above a critical level, another is that the discharge disappears gradually as the addition of O_2 approaches 3.2%. Possible explanations for the two failure modes have been given. The current and voltage waveform measurements show that there is a clear phase shift between normal and failure modes. In addition, I－V curves as a function of pure helium and for 1% addition of oxygen have been studied.     

脉冲放电射流辅助射频辉光放电研究

通过实验研究了脉冲放电射流辅助下大气压氦气射频辉光放电的电学和光学特性。采用组合电极结构,在射频放电前段增加脉冲电极,脉冲放电产生的射流以等离子体子弹形式注入射频放电区域,主要研究脉冲射流辅助射频放电的电流电压曲线、最低放电维持电压、放电强度和空间结构时空分布。研究结果表明：等离子体子弹经过射频放电区域后,由于等离子体子弹引入的活性粒子,会使射频放电区域等离子体强度增强;而射频放电最低维持电压也从0.93 kV降低至0.43 kV。     

常压下气体放电等离子体振荡的实验与理论研究

在实验上研究了高压交流电弧发生器电极间隙的气体放电及等离子体振荡, 观察到了气体放电过程中的纳秒脉冲.以电子的流体运动方程和麦克斯韦方程为理论基础, 利用δ函数来描述交变外电场作用下电极处的电子堆积现象,建立了常压下气体放电时等离子体在外电场中振荡的理论模型,通过Laplace变换求解出电极间的放电电压.理论与实验结果基本符合, 从而可估算出实验中等离子体的电子数密度为1.3× 10¹²/m³.