Spectroscopic study of an atmospheric pressure plasma generated for the deposition of titanium dioxide thin films

TiO₂ thin films are applied in various domains, e.g. air or water purification, self-cleaning surfaces etc. The deposition of titanium dioxide at industrial scale remains challenging. Atmospheric pressure plasma chemical vapor deposition methods are currently developed to provide an easy and viable method for deposition at industrial scale. Even though those methods lead to promising applicative coatings their formation mechanisms remain poorly investigated. In order to investigate the effect of the plasma parameters, i.e. plasma power and introduction of oxygen, on the plasma chemistry, optical emission spectroscopy (OES) is employed to monitor the various species present in the discharge. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analyses of the deposited thin films are carried out and show that by either decreasing the plasma power or introducing oxygen the carbon impurities in the layer can be reduced. By comparing OES and XPS data, the ratio of carbon containing species (CH and C₂) to oxygen, i.e. I_CH/I_O or I_C2/I_O, in the discharge is shown to be related to the carbon/oxygen composition ratio in the layer.     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

基于自发瑞利-布里渊散射测量空气的温度

瑞利-布里渊散射的散射截面比拉曼散射大,因而其在大气散射中实现对大气对流层温度廓线的准确测量方面具有一定的优势,同时利用瑞利-布里渊散射实现高压环境下温度的准确测量对于航天飞机主引擎状态的监测和超燃发动机燃烧室参数测量方面具有重要意义。基于自发瑞利-布里渊散射分别采用反卷积方法和卷积方法来实现空气在不同压力条件下的温度反演,研究引起温度反演误差的原因,并对利用两种方法获得的温度测量结果进行了比较。在利用基于维纳滤波器的反卷积方法对测量光谱直接处理实现温度反演之前,首先利用反卷积方法对由自发瑞利-布里渊散射模型与仪器函数卷积得到的卷积光谱进行处理获得反卷积光谱,将反卷积光谱与未经卷积的理论计算光谱进行比较实现温度反演, 并基于温度反演误差小于1.0 K,光谱拟合误差相对较小,光谱处理时间短的参数优化原则对反卷积方法中的关键参数奇异值叠加数进行了优化处理,得到优化后的奇异值叠加数为150。随后实验测量了由532 nm波长的连续激光激发的纯净空气在温度为294.0 K,压强为1～7 bar条件下的自发瑞利-布里渊散射光谱,并结合理论计算光谱和最小χ2值原理对光谱信号散射角进行优化,优化值为90.7°,同时利用反卷积和卷积方法分别对实验测量光谱进行处理实现空气在不同压强下的温度反演。实验结果表明反卷积方法在一定程度上可以提高信号光谱分辨率,而且利用反卷积和卷积方法均可以实现空气在不同压力（1～7 bar）条件下温度的准确测量,温度测量的最大误差均小于2.0 K;利用反卷积方法的温度反演结果随着气体压强的增大随之得到改善,实现温度反演测量所需要的光谱处理时间减少;在空气压强较低（≤2 bar）时,由卷积方法获得的温度反演结果要优于反卷积方法,压强较高（>2 bar）时,两种方法的温度反演结果相近, 其绝对误差均小于1.0 K。通过分析得到引起两种方法温度反演误差的原因主要包括环境温度的波动（±0.2 K）,散射角存在一定的不确定度以及气体的各已知参数的微量偏差对温度测量结果的影响以及反卷积对光谱噪声的非线性放大引起的光谱扰动对温度测量结果的影响。在实验中可以通过提高测量光谱的信噪比、提高散射角的优化精度及改善反卷积方法来获得更加准确的参数测量结果。     

大气压氮氧等离子体射流灭活表面大肠杆菌及其发射光谱分析研究

研究了氮氧源大气压等离子体射流对表面大肠杆菌灭活作用,分析了氮氧源大气压等离子体射流的光谱性质。结果表明,在放电电压为6.8kV,气体流速为4L?min?1,处理3min时,氮氧比为1:4的大气压等离子体射流对大肠杆菌的灭活率达到98.4%,接近氧气源大气压等离子体射流灭菌效果。通过大气压等离子体射流发射光谱(OES)分析了氮氧源大气压等离子体射流中活性物质,进而解释大肠杆菌微生物灭活机理,认为NO?γ、OI、?OH等活性物质在表面大肠杆菌灭活过程中起到了重要作用。这将为大气压氮氧等离子体射流在环境卫生、微生物灭活等方面的应用研究提供实验基础和技术支持。     

侧面遮拦式日晕光度计的杂散光理论分析

提出了一种侧面遮拦结构的日晕光度计,在镜筒内通过设置多层挡板结构逐层抑制处于内视场的挡板边缘衍射光,同时采用倾斜布置的上挡板结构抑制处于外视场的入射窗口边缘衍射光和侧壁散射光.建立数学模型对这些杂散光抑制挡板进行了仿真计算,结果表明,优化各挡板的几何参数后,日晕光度计的设计视场可达3.5～10个太阳半径,视场内的杂散光水平均可低于10-8平均太阳亮度.相对于高山天文台的日晕光度计在4～8个太阳半径的视场内总杂散光达到10-2平均太阳亮度,该日晕光度计扩展了可观测视场,并使杂散光抑制提高了一个量级.     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM01模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C2n(0),且随着C2n(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C2n(0),即大气湍流对其没有影响.     

部分相干艾里光在大气湍流中的光束扩展与漂移

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型,结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱,推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式,对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响,并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明:衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大,当它们的取值增大时,漂移越严重;内尺度对光束漂移几乎没有影响;在相同的条件下,艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级,且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.     

部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,实现远距离无线光通信,对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯-菲涅尔原理以及Rytov相位近似法,推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真,并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明:随着传播距离的增加,部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减,主瓣逐渐扩散;在传播足够远时,其旁瓣逐渐消失,主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长,光束的光强分布保持越完整.     

用三电极体系研究铜在微液滴下的电化学腐蚀

由于大气腐蚀高阻抗的特征, 传统的参比电极难以用于大气腐蚀研究之中. 为了获取准确的大气腐蚀电化学信息, 我们需要对传统的参比电极进行修改. 本文在三电极体系中采用修改的参比电极, 通过电化学阻抗和电化学极化两种方法研究铜在含有(NH₄)₂SO₄液滴下的腐蚀行为, 结果表明液滴下铜的平均腐蚀速率随着液滴体积从1到20 μL增加而减小; 当液滴高度不超过850 μm时, 平均腐蚀速率随着液滴高度的减小却迅速地增大. 此外, 电化学阻抗和电化学极化得出的腐蚀速率相一致, 这证明修改的参比电极可以用于液滴下的大气腐蚀研究.     

Small size plasma tools for material processing at atmospheric pressure

A small size radiofrequency plasma jet source able to produce cold plasma jets at atmospheric pressure is presented. The surface modification of polyethylene terephtalate, polyethylene and polytetrafluorethylene foils is performed by using a scanning procedure. The contact angle measurements reveal that the treatment leads to hydrophilicity increase. The roughening of surface, specific to each material is noticed. A significant improvement of adhesion is obtained as result of atmospheric plasma treatments.