微空心阴极维持放电的实验研究

为在高气压下形成大体积均匀等离子体,将微空心阴极放电(MHCD)作为等离子体阴极,引入另一阳极而设计为微空心阴极维持放电(MCSD)的发生装置.实验研究了MCSD的产生放电条件,通过在氩气中添加少量氮气,分析氮分子第一正带系发射光谱的方法测量了MCSD中羽流区不同位置的气体温度.研究表明,当等离子体阴极电流增加到一个临...     

空心阴极放电条纹特性的光谱诊断

利用发射光谱法,研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性.测量了条纹区的发射光谱,在此基础E计算得到r电子激发温度、相对电子密度和电子平均能量的空间分布特性.结果表明条纹区的光强、电子激发温度和电子密度均呈非等幅的周期性变化.与暗纹中心处相比,明纹中心具有较高的电子激发温度和较低的电子密度.由阴极向阳极,明纹中心处的电子激发温度幅值逐渐减小.此外,条纹区的电子激发温度随着电流的增加而增加.     

微空心阴极放电时空特性

为了揭示微空心阴极放电的放电机理,利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3104Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明,整个放电过程分为四个阶段,即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应,阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量,而负辉区径向电场很弱,电子平均能量较低,电子和离子密度峰值出现在负辉区,二者数值基本相等,而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。     

微空心阴极放电时空特性

为了揭示微空心阴极放电的放电机理,利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3×10~4Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明,整个放电过程分为四个阶段,即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应,阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量,而负辉区径向电场很弱,电子平均能量较低,电子和离子密度峰值出现在负辉区,二者数值基本相等,而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。     

氮气中空心阴极放电条纹的发光特性

利用发射光谱法,在氮气环境下研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性。测量得到了气压为20 Pa,放电电流为1.3 mA时条纹区的发射光谱,结果表明发射光谱主要为氮分子的第一正带系(B3П_g →A3П_u)和 第二正带系(C3П_u→B3П_g )。利用双原子光谱发射理论,计算得到了氮分子振动温度的空间分布特性。结果表明光谱线强度呈周期性分布,明纹中心处的谱线强度高于暗纹中心处的谱线强度。明纹中心处的N₂分子振动温度为3 500～4 400 K,并且从阴极到阳极,明纹中心处光谱线强度和分子振动温度逐渐下降。同时测量得到了放电电流为1.0和1.5 mA时的发光条纹特性,研究了放电电流对条纹特性的影响。随着放电电流的增加,明纹中心处的分子振动温度升高,条纹间距增加。另外,利用测量得到的发光条纹,计算得到了条纹区的平均约化电场强度为44～49 m-1·Pa-1,并且由阴极向阳极逐渐降低。对于揭示气体放电中发光条纹的形成机理和促进空心阴极放电的稳定性有重要的参考价值。     

微空心阴极放电的流体模型模拟

采用流体模型研究了微空心阴极放电(MHCD)的特点，对放电中电场的形成，电子和离子的密度分布，电子能量分布进行了数值模拟.该计算是针对高气压，圆筒形阴极结构下的He放电.结果表明放电中存在空心阴极效应，从电子能量分布可以看出，放电中存在高能电子，放电空间的电场分布主要表现为径向电场.此外，通过改变气压，阴极孔径等参数计算出它们对放电的影响.分析表明减小孔径有利于负辉区更充分的重合.提高气压将缩短阴极位降区. 关键词： 微空心阴极放电 流体模型     

空气中空心阴极不同放电模式下的发光特性

为了进一步揭示空心阴极放电中放电模式的转换机制,特别是空心阴极放电过程中自脉冲的形成机理,利用柱型空心阴极放电结构,在空气环境下研究了放电处于不同模式时的发光特性。测量得到了不同放电模式下的伏安特性曲线、放电发光图像、自脉冲阶段的脉冲波形等。实验结果表明随着放电电流的增加放电分为汤生放电模式、自脉冲放电模式、正常辉光放电模式和反常辉光放电模式。虽然所用电源为直流电源,但在自脉冲放电阶段电流和电压随时间呈周期性变化。实验结果表明在不同的放电模式下具有不同的发光特性。在由汤生放电转换为自脉冲放电模式和由自脉冲模式转换为正常辉光放电模式过程中,放电腔的径向中心处和轴向孔口附近均存在光强的突变。实验同时在200～700 nm范围内测量得到了不同电流时的发射光谱。结果表明发射光谱主要集中在330～450 nm,主要包括氮分子的第二正带系(C3Π_u→B3Π_g )和氮分子离子的第一负带系（B2Σ+_u→X2Σ+_g）。其中氮分子离子第一负带系具有较强的发射光谱。由于B2Σ+_u激发电位较高,因此该谱带较强发射光谱的存在表明空心阴极放电较其他放电形式更容易获得高激发态粒子和高能量电子。在650～700 nm附近存在一弱的发光谱带,主要为氮分子的第一正带发射谱（B3Π_g→A3Σ+_u）。在此基础上根据双原子光谱发射理论,结合氮分子第二正带系的三组顺序组带：Δν=-1,-2和-3,利用玻尔兹曼斜率法计算得到了不同放电模式下氮气的分子振动温度。结果表明在实验电流范围内分子振动温度在3 300 K左右,随着电流的增加而升高,并且在自脉冲消失时存在一突变迅速增强。由于电子能量、电子密度与分子振动温度密切相关,因此该结果也表明随着放电电流的增加电子平均能量和电子密度不断增加,当脉冲消失时,电子平均能量和电子密度出现跃变升高。最后,对空心阴极放电中自脉冲的形成机理进行了讨论,结果表明自脉冲放电源于放电模式的转换。     

微空心阴极放电推力器性能研究

微空心阴极放电推力器是一种新颖的电热式微推力器,利用纳卫星提供的1～10 W的功率可提高微推进装置的性能。为了预示该推力器的性能,结合实验中测量的气体温度值和火箭发动机原理,初步计算得出微放电推力器的推力范围为几十至上千μN,以氩气为工质比冲量级为600～1 000 N·s/kg,以氦气为工质比冲量级为3 000 N·s/kg。研究结果表明,微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在电热式微放电推进中,作为微小卫星,尤其是纳卫星和皮卫星的动力系统。     

微空心阴极放电推力器性能研究

微空心阴极放电推力器是一种新颖的电热式微推力器,利用纳卫星提供的1~10 W的功率可提高微推进装置的性能。为了预示该推力器的性能,结合实验中测量的气体温度值和火箭发动机原理,初步计算得出微放电推力器的推力范围为几十至上千μN,以氩气为工质比冲量级为600~1 000 N.s/kg,以氦气为工质比冲量级为3 000 N.s/kg。研究结果表明,微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在电热式微放电推进中,作为微小卫星,尤其是纳卫星和皮卫星的动力系统。     

发射光谱法测量常压介质阻挡放电氩等离子体的放电参数

介绍发射光谱法测量常压介质阻挡氩等离子体的放电参数的方法,通过常压介质阻挡放电氩等离子体的光谱图,测量和计算了等离子体的电子温度和电子浓度.     

Optical Emission Spectroscopy Used to Study the Characteristics of the Capacitive Radio-Frequency Discharge in Argon

Capacitively coupled radio-frequency (13.56 MHz) glow discharge in argon at low pressure (200 mTorr) has been studied by optical emission spectroscopy (OES) and electrical probe. Increasing power density resulted in lowering of the electron temperature T _e and increase of the electron density n _e. The to transition in this case takes place smoothly. The intensity (I _750.4) of the emission line at 750.4 nm due to 2p₁1s₂ transition closely follows the variation of n _e with power density. Calculation of the electron-energy probability function shows that electron occupation mainly changes in the high-energy tail, which explains close resemblance of I _750.4 to n _e. At moderate pressures, only OES method was applied to observe - transition which is abrupt in this pressure range.     

N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟

采用Monte Carlo方法模拟N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射过程,其中,氮离子(N2+,N+)轰击阴极表面采用PIC/MC模型模拟.计算溅射钛原子的热化过程、钛原子的密度及其平均能量分布.结果表明,沿各方向溅射出的90%金属Ti原子所带的初始能量小于30 eV,其散射角主要分布在30°和60°之间;溅射Ti原子在离微空心阴极壁约0.04 mm处出现热化极大值.     

团簇六边形斑图等离子体参数的光谱测量

在氩气和空气混合气体介质阻挡放电中,首次发现了团簇六边形斑图。运用发射光谱法,研究了此斑图中单个团簇的三种等离子体参数：分子振动温度、分子转动温度以及电子的平均能量随空气含量的变化。实验通过测量氮分子光谱并采用氮分子第二正带系(C3Π_u→B 3Π_g)计算了振动温度;同时采集氮分子离子(N+₂)的第一负带系(B 2Σ+_u→X 2Σ+_g)计算转动温度。利用氮分子离子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,作为研究电子平均能量的变化的依据。结果显示,当混合气体中空气含量从16%逐渐增大到24%时,三种等离子体参数均逐渐增大。     

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。     

离子液体对氩气介质阻挡放电光谱的影响

采用自行设计的介质阻挡放电反应器,以氩气和离子液体为放电介质,实现大气压下稳定的气(等离子体)-液(离子液体)等离子体放电,并运用光谱法在线诊断氩等离子体光谱。考察了不同咪唑基离子液体以及放电参数对大气压氩气介质阻挡放电光谱的影响。结果表明,离子液体的引入降低了氩气放电光谱的强度,谱峰强度与离子液体阳离子咪唑环上的碳链长度有关,且随碳链长度增加,谱峰强度降低;同时阴离子结构对称性低的离子液体,谱峰强度较低。加入离子液体后氩谱随放电电压及放电频率变化均呈现峰值变化。     

大气压液体阴极辉光放电发射光谱检测水体中的铅

建立了一套基于大气压液体阴极辉光放电原子发射光谱(electrolyte cathode atmospheric glow discharge atomic emission spectroscopy,ELCAD-AES)的水中金属离子检测装置,并在该装置上对水中金属离子铅(Pb)进行了检测,随着Pb浓度的增加,Pb元素的发射光谱强度显著增强,Pb浓度在10~80 mg·L-1范围内时,其发射信号强度与浓度呈现一定的线性关系。实验考察了放电电流、易电离元素对Pb发射光谱的影响,表明当电流增加到70 mA时,Pb元素的信号强度最强,溶液中的易电离元素对Pb元素信号强度产生微弱影响。同时探讨了酸化试剂对Pb发射光谱的影响,发现用HNO₃酸化溶液时Pb发射光谱强度最强,而降低pH值可以有效的提高Pb发射光谱强度。研究了等离子体内不同区间的原子发射光谱强度,结果表明金属原子Pb的发射光谱集中在靠近阴极的区域,因此获得了Pb元素的最佳探测位置。计算得到采用便携式光谱仪作为探测系统的水体Pb元素痕量检出限为0.7 mg·L-1,相对标准偏差为1.7%,两种实际水样检测回收率分别为95%~106%,表明本方法有较好的准确性。研究结果为进一步开展水体痕量重金属元素液体阴极辉光放电光谱检测提供了方法。     

氩气压力对螺旋波放电影响的发射光谱诊断及仿真研究

螺旋波等离子体源以其高电离效率与高密度优势受到多个领域的青睐。螺旋波放电高电离效率的机理或者功率耦合模式,一直是困扰该领域学者的难点之一,对于放电过程与特性的诊断则是揭示其物理机制的重要途径。光谱诊断能够克服介入式诊断手段对等离子体的干扰同时受等离子体烧蚀等弊端,且响应速度快、操作灵活。为研究螺旋波等离子体的放电特性以及气体压力的影响,开展了以氩气为工质气体的光谱实验研究,并针对实验开展了Helic程序数值模拟。通过改变光纤探头焦距调整径向诊断位置,得到谱线强度的径向分布。由氩原子4p-4s能级跃迁产生的谱线主要集中在740～920 nm区间,谱线相对强度较离子激发谱线较强。实验研究发现,在较低氩气压力范围（0.2 Pa<P_Ar<1.0 Pa）,随着压力增加,放电光强迅速增加,但是当压力增加到大于1.0 Pa之后,光强增长的趋势变缓,甚至部分谱线的相对强度不再增长,达到类饱和状态,朗缪尔探针测量得到离子密度变化趋势与其相似。光强分布在靠近径向边界处（r≈4 cm）存在凸起,且随压力增加,该凸起分布更为明显。通过对电子温度的计算发现,压力增加到一定程度将影响放电均匀性。仿真结果显示,增大压力,功率沉积密度的径向分布逐渐向径向边界处积累,与实验观察到的谱线强度径向凸起相一致,螺旋波与TG波的耦合效率增加。随着气体压力的增加,E_r的径向边界峰值降低,原因是波所受阻尼增强,TG波被有效地局限于径向较窄的边界处。电流密度轴向分量J_z在等离子体内部和边界处的峰值呈显著的减小趋势,可见,虽然压力增加一定程度上提高了等离子体密度,但却相应的减小了电离率,导致轴向电流密度受限。但是径向电流密度J_r却呈现先减小后增大的趋势,且增长幅度明显,综合来看,放电效率有所提高。可见适当增加气体压力,有助于提高放电的功率耦合效率和强度,增加等离子体密度。光强比值法是针对线性谱线参数计算的典型方法,Helic程序亦是专业领域内认可度很高的计算工具,结果可靠,分析方法具有可借鉴性。实验及仿真结果对于提高氩气工质下的螺旋波放电强度提供了一定的参考价值。     

光谱方法研究大气压氩气等离子体喷枪的放电特性

利用同轴介质阻挡放电喷枪,通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。等离子体羽沿气流方向较为均匀,但在喷嘴处为白色且亮度较高,远离喷嘴处为蓝色,亮度较低。研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、驱动频率和气体流速的关系,气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大,而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。当气流保持恒定时,等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响,对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲,而负半周期没有发光信号。同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲,负半周期有一个发光脉冲。通过对该N₂现象的分析,为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱,研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N₂的发射谱线外,其发射光谱没有明显差别。利用光学发射谱N+₂第一负带系,对等离子体羽转动温度进行了测量,发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低,且转动温度随电压幅值的增大而增大。     

基于多元线性回归法的液体阴极辉光放电-原子发射光谱分析研究

液体阴极辉光放电-原子发射光谱是近些年兴起的一种水体金属元素检测技术。该技术具有开放大气环境工作,进样简便,体积小,运行费用低,可同时检测多种金属元素等显著特征。根据之前的研究工作可知,金属元素的浓度不仅与自身的某一条谱线强度有关,而且还与自身其他的谱线或者基体中其他元素的谱线强度有关。为提高该技术的检测能力和精度,降低实验过程中基体效应的影响,以及更加充分地利用光谱信息,采用多元线性回归法对光谱信息进行定量分析。选取Pb Ⅰ 368. 35 nm和Pb Ⅰ 405.78 nm两条特征谱线,建立Pb元素浓度与这两条光谱线强度的二元线性回归方程;相比于标准曲线法,Pb元素的拟合度R2从0.986 5提高到0.998 7,两组Pb测试液的相对误差从34.00%和29.00%降低到14.20%和1.51%。为降低复杂成分中基体效应的影响,建立Na的浓度与Na Ⅰ 589.38 nm,Zn Ⅰ 213.8 nm,PbⅠ405.78 nm和H_β四条特征谱线强度的四元线性回归方程;拟合度R2从标准曲线法的0.955 8提高到0.995 6,两组Na测试液的相对误差从11.67%和14.71%降低到2.33%和3.57%。以上结果表明：相比于标准曲线法,多元线性回归法可以降低实验过程中基体效应的影响,并且能更加充分地利用光谱信息,能提高拟合度R2,以及降低测量的误差,从而提高液体阴极辉光放电-原子发射光谱定量分析金属元素的精度。     

Optical Emission Spectroscopy of Carbon Clusters Produced in a Hollow Cathode Sputter Source

A hollow cathode sputter source is developed to trace the production of carbon clusters and study the influence of discharge current and argon gas pressure on cluster production using an optical emission spectroscopic technique. Optical emission spectra from the hollow cathode source reveal the production of the C₂ Swan band. The sputter source is optimized for the maximum carbon cluster yield. The vibrational temperature analysis of the C₂ cluster is carried out using the Boltzmann plot method. The dependence of vibrational temperature on argon gas pressure is discussed and the dominant method for C-C association in the glow discharge is suggested.