直流等离子体弧温度测量与模拟计算结果的比较

介绍在等离子体弧符合局部热力学平衡条件下,计算自由燃烧弧的温度、速度和电势场分布的方法.把计算结果与用电荷耦合器件技术的光谱法等离子体温度测量数据进行了比较,理论计算和实验结果符合得较好. 关键词：     

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。     

大面积表面波等离子体的特性研究

介绍一种矩形反应腔体结构的表面波等离子体源，通过对垫层介质及天线结构的优化设计，产生了大面积均匀的等离子体.采用静电探针测量了等离子体参数(密度，电子温度)在不同运行条件(气压，功率)下的空间分布；采用扩散模型，数值模拟了等离子体密度在垂直方向上的空间分布，并比较好地解释了实验测量结果. 关键词： 表面波等离子体 狭缝天线 数值模拟 探针测量     

用发射光谱法测量氮气直流辉光放电的转动温度

本文报道了氮气气压分别为10和20Pa时，对直流辉光放电的发射光谱进行测量和分析的结果。选择的研究对象为N2放电中形成的N2^ B^2∑u^ →X^2∑g^ 跃迁的Δv=v′-v″=0谱带系中v′=0→v″=0谱带的R支。在阴极背面辉光区、阴极鞘层区、正柱区以及阳极辉光区中分别选择一点进行了转动分辨的发射光谱的测量。利用自己编写的光谱拟合程序，获得了相应的实验条件下N2^ 的转动温度，给出了转动温度随放电电压的变化趋势，其结果可以用直流放电的帕邢定律得到很好的解释。在10和20Pa气压下，放电的阴极鞘层区、正柱区、阳极辉光区中的转动温度都随放电电压呈现出了不同的变化趋势，甚至是完全相反的变化趋势。我们认为这是由于气压不同时，放电状态不同所致：气压为10Pa时的放电是正常辉光放电，而气压为时20Pa的放电为反常辉光放电。     

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。     

狭缝微放电等离子体参数的光谱测量

利用平行管水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气混合气体中,得到了狭缝微放电等离子体。利用发射光谱法,研究了此放电中分子振动温度、分子转动温度和电子的平均能量随气体压强的变化。通过氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线计算了氮分子的振动温度;利用氮分子离子(N2+)的第一负带系(B2Σu+→X2Σg+)的发射谱线计算了氮分子的转动温度;测量了氮分子离子391.4 nm和激发态的氮分子337.1 nm两条发射谱线的相对强度之比,研究了电子能量的变化。结果表明,当压强从60 kPa增大到100kPa,分子振动温度及分子转动温度均减小,氮分子离子谱线与激发态的氮分子谱线的强度之比亦减小。     

激光烧蚀硬铝产生等离子体温度和力学效应测量

 为了研究激光推进技术中激光与材料相互作用的机制,获取等离子体状态参数及力学参数,采用Nd:YAG被动调Q固体激光器烧蚀硬铝,通过激光诱导等离子体光谱技术测得等离子体光谱和温度,由冲量摆测得力学参数。实验结果显示：在激光功率密度0.534×10⁸ W/cm²时,靶材表面的等离子体温度在等离子体辐射过程中呈二次曲线衰减;改变靶材等离子体点燃阈值附近的激光功率密度时,随着功率密度的增加,等离子体温度、冲量耦合系数也随着增大,当功率密度达到靶材的等离子体点燃阈值时,各参数达到最大,此后随着功率密度增加,由于等离子体对能量的屏蔽作用,导致靶材表面的等离子体温度降低,等离子体获得的动能减少,靶材耦合的冲量降低。     

激光烧蚀硬铝产生等离子体温度和力学效应测量

为了研究激光推进技术中激光与材料相互作用的机制,获取等离子体状态参数及力学参数,采用Nd:YAG被动调Q固体激光器烧蚀硬铝,通过激光诱导等离子体光谱技术测得等离子体光谱和温度,由冲量摆测得力学参数。实验结果显示：在激光功率密度0.534×108 W/cm2时,靶材表面的等离子体温度在等离子体辐射过程中呈二次曲线衰减;改变靶材等离子体点燃阈值附近的激光功率密度时,随着功率密度的增加,等离子体温度、冲量耦合系数也随着增大,当功率密度达到靶材的等离子体点燃阈值时,各参数达到最大,此后随着功率密度增加,由于等离子体对能量的屏蔽作用,导致靶材表面的等离子体温度降低,等离子体获得的动能减少,靶材耦合的冲量降低。     

射频放电阻抗测量用于等离子体诊断研究

利用自行研制的传感器和测量装置,通过对射频放电电压、电流以及其相位角的精确测定,算出放电管的总阻抗,结合放电管的等效电路模型与Godyak等建立的射频放电模型,对射频激励铜离子激光管在氦气中的放电特性进行了研究,得出射频激励铜离子激光器不同气压及电流密度下的等离子体电阻、容抗、鞘层厚度及电子密度 关键词： 射频放电 阻抗测量 等离子体诊断     

层流氩等离子体射流温度的测量

 采用给水冷管状静电探针施加负偏置电压、并使探针以一定速度垂直于射流轴线扫过层流氩等离子体射流的方法,测量探针所收集到的累积离子饱和电流随侧向位置的变化,利用Abel变换推导出了局部离子饱和电流密度沿射流径向的分布;采用自制的水冷动压探针,以动态扫描法测量了射流动压沿射流径向的分布;根据局部离子饱和电流密度和射流动压的测量数据,由理论关系式推导出了等离子体射流横截面上的温度分布,同时,采用谱线相对强度法测量了等离子体射流的激发温度。结果表明：两种方法得到的等离子体射流中心温度吻合较好,所得到的射流中心温度随弧电流加大而增大的变化趋势也一致。     

Corona discharge as a temperature probe of atmospheric air microwave plasma jet

We developed and tested a new method for temperature measurements of near-LTE air plasmas at atmospheric pressure. This method is specifically suitable for plasmas at relatively low gas temperature (800–1700 K) with no appropriate radiation for direct spectroscopic temperature measurements. Corona discharge producing cold non-equilibrium plasma is employed as a source of excitation and is placed into the microwave plasma jet. The gas temperature of the microwave plasma jet is determined as the rotational temperature of N₂? produced in the corona discharge. The corona probe temperature measurement was tested by the use of a thermocouple. We found a fairly good agreement between the two methods after correcting the thermocouple measured temperatures for radiative losses. The corona probe method can be generally applied to determine the temperature of the near-LTE plasmas and contrary to the thermocouple it can be used for higher plasma temperatures and is not affected by radiative losses and problems of interaction with the microwave plasma and electromagnetic fields.     

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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。     

An optical probe for local ion temperature measurements in a plasma

Local measurements of the ion temperature and the spectral emissivity have been performed in the magnetized plasma of the PSI‐2 device using an optical probe. The proper operation of the probe could be demonstrated. The probe collects the light emission from a small separated plasma volume thus enabling to determine the ion temperature from Doppler‐broadening of suited spectral lines. In addition to the technical features stray light and finite Larmor radii effects ‐ limiting the spatial resolution ‐ are discussed. (© 2003 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

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采用另加偏压的单阴极弧氦放电直线等离子体装置对氦等离子体的基本特性进行了研究.对氦轴向输运规律做了描述并与光谱测量数据做了定性地比较.实验结果表明,氦等离子体的电子温度与电子密度均随放电电流、约束磁场的增加而增加.氦原子与氦离子的辐射光谱随放电电流、偏压、磁场的变化规律进行了测量分析,同时氦离子对钨靶积分辐照效应进行了观察.这些结果不但提供了氦等离子体的基本特性,对于研究氦离子与面向等离子材料相互作用导致产生气泡、肿胀、脆化损伤等的评估,特别是对将来伴有(n,α)反应时具有一定的参考价值.     

级联弧放电氦等离子体特性研究

采用另加偏压的单阴极弧氦放电直线等离子体装置对氦等离子体的基本特性进行了研究。对氦轴向输运规律做了描述并与光谱测量数据做了定性地比较。实验结果表明,氦等离子体的电子温度与电子密度均随放电电流、约束磁场的增加而增加。氦原子与氦离子的辐射光谱随放电电流、偏压、磁场的变化规律进行了测量分析,同时氦离子对钨靶积分辐照效应进行了观察。这些结果不但提供了氦等离子体的基本特性,对于研究氦离子与面向等离子材料相互作用导致产生气泡、肿胀、脆化损伤等的评估,特别是对将来伴有(n, α)反应时具有一定的参考价值。     

Organic contaminants removal by oxygen ECR plasma

Recently electron cyclotron resonance (ECR) plasma have been explored for wafer cleaning applications, since it is known to do less damage to silicon surface than conventional plasma. Organic contaminants removal efficiency and plasma radiation damage of the ECR plasma cleaning have been investigated. In oxygen ECR plasma cleaning, the plasma exposure time needed to remove the organic contaminants on the silicon surface down to the detection limit is 40 s, but the one to reach the lowest surface roughness is 10 s. The leakage current level of the MOS capacitor made using the Si substrate exposed to oxygen ECR plasma for 40 s is 8 × 10⁻⁹ A. The optimum exposure time determined by considering the contaminants removal efficiency and the plasma radiation damage (or the leakage current level) is 40 s. Organic contaminants seem to be removed through both sputter-off mechanism by oxygen ion bombardment and evaporation mechanism by chemical reactions with excited oxygen atoms.     

大气压射频氧气放电特性的数值模拟研究

基于漂移扩散近似,对大气压下氧气射频放电产生的等离子体建立了一维流体模型,包括了电子、正离子和负离子的连续性方程、电子能量方程及泊松方程。采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽的数值模拟,得到了相应的数值结果。通过对所得数值结果的分析,研究了大气压下氧气放电的基本特性。研究表明,大气压氧气放电中等离子体密度可达到10¹²cm^-3 ,电子温度约在1.23eV,放电中主要的负离子是O^-离子;随着电压峰值的增加,电子密度、电子温度都增加,但n_O-/n_e 的比率先增加到7.5%又后减小到5%,在电压峰值为700V 时达到最大。     

EAST装置等离子体放电位形快速识别研究

为了适应超导托卡马克装置EAST位形控制运行模式的需要，研究了等离子体放电位形快速识别算法，给出了等离子体放电位形重建的模拟计算结果，并与美国GA平衡反演程序EFIT计算的平衡结果进行了详细的误差对比分析.结果表明，通过外部磁测量和合适的电流剖面模型，并结合实时平衡重建算法可以快速地对EAST等离子体放电位形进行识别. 关键词： 托卡马克 等离子体 平衡重建 数值模拟     

激波风洞设施中的等离子体包覆目标电磁散射实验研究

利用JF10高焓激波风洞设施, 进行了等离子鞘包覆目标的电磁散射测量实验. 基于矢量网络仪的步进扫频体制, 在C波段进行实验, 观测到等离子鞘对目标雷达散射截面(radar cross section, RCS)的影响. 并且, 目标散射测量值中直接体现了激波风洞的高速气流状态信息: 气流前段会造成散射回波的剧烈变化且稳定性差, 持续0.5–1 ms; 激发的等离子鞘有效持续时间仅约为2 ms, 衰减了目标RCS回波.     

电子回旋共振离子推力器放电室等离子体数值模拟

电子回旋共振离子推力器属于静电型推力器,具有寿命长、比冲高、结构简单、可靠性高等优点,适用于深空探测等长时间空间飞行任务.放电室是一个关键部件,其内部通过电子回旋共振产生等离子体.针对放电室内等离子体流场建立飘移-扩散近似模型,采用迎风格式有限差分法对该模型进行数值求解,得到了放电室内不同时刻的等离子体流场分布及其演化规律.数值模拟结果可以为推力器的设计和实验研究提供有用信息.