应用于燃料重整制氢的低温等离子体技术

低温等离子体具有能量效率高、装置体积小、室温环境下工作和对电源要求不高等特点,适用于在多变环境下的小规模现场制氢。分析了通过放电产生低温等离子体的物理特征,讨论了提供化学反应能量的高能电子与低温气体中重粒子的相互作用。对各种放电如电晕放电、滑动弧放电、介质阻挡放电、射频放电、微波放电及辉光放电等装置结构进行了介绍,重点阐述产生和维持放电条件、电子能量的影响因素和调节方法。以气态下和液态下产生等离子体进行制氢的实验装置为例,综述了以甲醇、乙醇、重石脑油、甲烷水合物、二甲基醚等液体原料为介质的放电等离子体的产生及特点,主要包括反应器结构、电极结构、转换效率及产氢率等。目前限制低温等离子体制氢技术应用的主要问题是装置结构复杂和制氢效率低等问题。     

介质阻挡放电等离子体及其在材料制备中的应用

介质阻挡放电等离子体(Dielectric barrier discharge plasma,DBDP)是一种在大气压下即可发生的低温等离子体,具有电子浓度大、电子平均能量高的特点,因此,DBDP应用在材料制备中具有独特的优势.综述了DBDP的发展历史、产生机理和基本特征、放电参数及其影响等,重点介绍了DBDP在臭氧发生、有机物合成、薄膜制备、材料表面改性、高能球磨等领域的应用,分析了研究中存在的主要问题及相应的解决方法,以期为相关领域的研究提供参考.     

气体-液体两相放电低温等离子体的光谱诊断

基于介质阻挡放电工作原理,设计了气体-液体两相放电装置。采用发射光谱诊断技术,结合Stark展宽理论,系统研究了工作电压、气体流量、液体高度等参数对气体-液体两相放电发射光谱及电子密度的影响规律。结果表明,氢氦混合气-生物油两相界面放电时,氢发射光谱特征谱线H_α强度最高,而巴耳末系的另外三条特征谱线未检出,放电低温等离子体的电子能量介于12.09~12.75 e V间;氢发射光谱α特征峰强度和电子密度随工作电压的增加而增加,随气体流量、液体高度的增加而减小。     

介质层参数对表面型等离子体显示器性能优化的研究

以提高等离子体放电效率为目标,采用实验测试的方法研究了不同介质层的介电常数和厚度对着火电压、静态margin、放电效率和真空紫外辐射的影响。结果表明,适当的增加介质层参数εr/d,虽然提高了放电过程中产生的能量损失,但其同时也可以有效增强阴极区的电场和电子温度,使得放电产生的分子态VUV强度大幅上升进而带来放电发光效率的提高。因此,优化介质层参数可以作为今后提高等离子体放电效率的有效途径之一。     

介质材料在电子辐射环境中的放电特性

航天器表面介质材料在空间等离子体环境下会产生放电现象,放电诱发的瞬态脉冲会对航天器在轨安全运行产生较大的影响。通过对不同厚度的聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料进行电子辐照,对放电诱发的瞬态脉冲进行测量,结果表明:随着电子能量增加,材料的电荷累积速率加快,放电电流的峰值并不随着电子能量的增加而增大,而是一个近似不变的值;放电频率随着电子能量的增加而增大且呈现出正相关的特性;随着介质材料厚度略微增大,表面充电电位增大,累积的电荷量增多,放电峰值增大,放电频率变小。     

电子回旋共振波等离子体及其应用

电子回旋共振波等离子体是依靠特殊的电磁波与电学各向异性材料相互作用来实现的,它被证明是一种适用于改进传统真空镀膜工艺的高效技术。与传统辉光等离子体放电系统相比,电子回旋共振波系统的特点是产生高离子电流密度、能量分布集中的等离子体,能够实现半导体薄膜的低压高速沉积,具有离化率高、放电反应室内无电极、适合大面积薄膜沉积等优点。在实际实验及应用中常使用双电源驱动等离子体放电系统,利用电子回旋共振波原理进行等离子体放电,而使用另一个独立的射频(或者直流)电源系统来驱动等离子体束流的引出,在等离子体放电过程中可实现独立、精确控制离子电流密度和离子能量等参数,在半导体薄膜沉积、精密刻蚀、等离子体源等领域有着重要的应用。本文主要介绍了电子回旋共振波等离子体原理、特点,并结合实验与诊断方法朗缪尔探针等技术来展示其研究应用进展。     

人体可接触的悬浮电极介质阻挡放电研究

针对低温等离子体处理人体皮肤和组织等生物医学应用中开发人体可接触低温等离子体源的需求,本文设计了一种灵活的悬浮电极结构的介质阻挡放电低温等离子体发生装置,来在空气中产生人体可接触的低温等离子体。通过合理的选择绝缘外套来实现手持灵活移动电极,通过合理选择阻挡介质来限制放电电流,实现人体安全接触。本文通过电气和光学特性诊断研究了所设计装置的放电特性,在进行人体接触试验基础上,建立了装置的等效电路模型,来对人体接触的安全性进行论证。结果表明,所设计的电极结构灵活安全,人体可以安全接触,当外加电压在低于5 kV且气隙间距为0.5 mm时,消耗的放电功率小于0.5W,传输电荷小于50nC,放电电流幅值小于10 mA。等效电路模型分析结果表明,当外加电压4 kV至6 kV,且气隙间距小于1 mm时,流过人体的工作电流不超过3.82 mA。     

大气压沿面介质阻挡放电流动控制影响因素研究

大气压介质阻挡放电等离子体流动控制是通过介质阻挡放电产生形成等离子体风来影响和控制周围空气流动的一种技术手段,对于提升飞行器的气动性能具有重要意义。其在飞行器减阻增升、发动机扩稳增效等方面具有广阔应用前景,目前已经成为国内外空气动力学领域新兴的研究热点。本文对大气压下空气介质阻挡放电产生的沿面低温等离子体气流加速现象进行了研究,针对不同参数(介质材料、介质厚度、电极种类、放电电压)分析放电过程中等离子体的演化,测量等离子体风速及表面电势。结果表明采用介质厚度为1 mm的云母介质,上电极选择不锈钢刀片形状的电极,放电电压峰峰值为16 k V时,表面介质放电等离子体的气流加速效果更好。该研究可为今后等离子体气流控制方面的研究提供一定的实验参考。     

一种人体可接触的大气压He等离子体射流研究

大气压低温等离子体医学应用需要设计人体可安全接触的低温等离子体源。本文设计了一种环环电极结构的大气压低温等离子射流装置,通过合理地设计其绝缘结构和选择运行条件,在He中产生了人体可接触的大气压低温等离子体射流。通过发光图像拍摄、光谱分析以及电气特性测量等手段,诊断所设计装置的特性;通过人体实际接触实验,证实了其安全性,并通过建立装置的等效电气模型对其人体接触安全性进行理论分析。结果表明,本文设计射流的放电具有稳定、安全、低功率的特点,其放电电流峰值不超过7 m A,放电功率小于1.5 W,最大传输电荷约为100 n C,产生的粒子包含大量OH与O等高能活性粒子。电源电压为4 k V时,人体上电压降约为35 V,小于人体安全电压。     

射频空心阴极放电中电子加热机制的实验研究

在氩气环境下对射频驱动下空心阴极的放电特性进行了实验研究,得到了不同工作条件下射频空心阴极放电中的电子密度、电子能量几率分布函数等结果。研究结果表明,相比于平板电极容性耦合射频放电,空心结构电极的射频放电能获得更高的电子密度。在形成空心阴极效应后,等离子体密度随电压、气压的升高而增大。通过EEPF进一步分析了射频空心阴极放电电子加热机制随p D值、工作电压的变化。发现当p D增加时,射频空心阴极放电中电子加热机制从以振荡鞘层对高能电子的随机加热为主逐渐转变为对等离子体中电子的欧姆加热为主;当逐渐提升电压时,电子本身获得能量机制则由开始的欧姆加热转到了向后来的随机加热。     

基于多孔阳极氧化铝的大气压毛细管等离子体电极放电研究北大核心CSCD

通过实验和模拟方式,对比分析了介质阻挡放电和基于多孔阳极氧化铝的毛细管等离子体电极放电。应用阳极氧化法制备的多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina,PAA)作为介质层进行了毛细管等离子体电极放电。研究了多孔阳极氧化铝介质层对毛细管等离子体电极放电的影响,对比分析了相同几何参量的介质阻挡放电和毛细管等离子体电极放电的放电过程。结果表明:应用多孔阳极氧化铝介质的毛细管等离子体电极放电更稳定,放电中产生的更密的微放电有助于提高放电的稳定性;多孔阳极氧化铝介质层的毛细管等离子体电极放电具有相对于介质阻挡放电高出两个数量级的电子密度和更高的电子温度。等离子体参数具有与多孔阳极氧化铝的孔分布同步的周期性,产生了等离子体射流模式,提高了放电稳定性。     

大气压等离子体射流装置及应用研究进展北大核心CSCD

大气压等离子体射流(APPJ)能够在开放空间而不是在狭窄放电间隙中产生高活性非平衡低温等离子体,APPJ已经成为国际上等离子体科学与技术领域的研究热点之一。本文首先介绍了4种典型的等离子体射流装置,包括单针、针-环、单双环以及微腔结构,并分析了各自的结构特点。然后介绍了APPJ近几年的研究进展,包括射流装置结构、活性粒子探测方法、射流与外界物质相互作用及应用等方面。最后对APPJ面临的一些关键问题和发展方向进行了展望。     

大气压氩气微等离子体射流加工聚合物薄膜北大核心CSCD

为研究实验衬底电导率对于大气压微等离子体射流特性的影响,在处理聚合物薄膜表面的过程中,铜片、硅片、石英玻璃片分别作为实验衬底,对针-环型射流装置产生的微等离子体射流特性进行了实验分析。电特性结果表明,三种条件下的放电电流波形特点相同,仅存在数值上的差异,放电功率均随电压增大而增大,在相同条件下使用铜片时射流放电强度最强。对等离子体射流发射光谱进行采集,并计算三者气体温度和电子温度,结果表明三种条件下的射流气体温度范围在310~365 K,均接近室温,电子温度分别为2118、1958和1380 K,使用铜片时射流电子温度最高,可认为其具有更多的高能电子和活性物质。利用射流对聚合物薄膜的处理效率对结论进一步验证,三种条件下射流分别处理PET薄膜表面15 s,表面静态接触角从初始78.1°分别降至22.2°、26.3°、28.3°,可见使用高电导率的衬底有助于提高微等离子体射流的处理效率。这些研究结果对大气压低温等离子体射流加工聚合物薄膜工艺具有重要意义。     

电源对介质阻挡放电(DBD)激发准分子(XeCl*)辐射的影响

本文对电源参数如电压幅值、频率及正负电压对介质阻挡放电激发准分子XeCl 紫外 (30 8nm)辐射的影响进行了实验研究。结果表明 ,UV辐射随电压幅度的增加而增强 ,但效率下降 ;提高频率 ,增加了放电次数 ,导致UV辐射的增强 ;此外 ,在较高的频率下 ,电压上升沿变陡 ,使得电子获得的能量主要用于原子的激发和电离。正、负电压放电的不对称源于电极结构的不对称而引起的放电过程的差异 ,负电压内电极可向放电管中馈入更多的能量 ;比较发光光谱可判断生成准分子的等离子体化学过程没有明显的差别     

射频电感耦合离子源放电室内放电等离子体的二维磁流体模拟研究

为了研究平面盘香形射频离子源等离子体放电特性,对射频电感耦合离子源内的放电等离子体运用磁流体动力学建立二维磁流体模型进行数值模拟,得到了放电室内等离子体参数分布.结果发现电子由于受双极性电势的约束主要分布在放电室的中心,放电等离子体吸收能量的区域主要在放电室内距天线1 cm附近.对比电子的温度和离子密度分布,在低气压条件下,电子加热的区域和产生电离的区域是分开的,电子加热的区域出现在线圈附近,而最强的电离过程发生在双极性电势最高的位置附近.     

大气压等离子体射流装置及应用研究进展

大气压等离子体射流(APPJ)能够在开放空间而不是在狭窄放电间隙中产生高活性非平衡低温等离子体,APPJ已经成为国际上等离子体科学与技术领域的研究热点之一。本文首先介绍了4种典型的等离子体射流装置,包括单针、针-环、单双环以及微腔结构,并分析了各自的结构特点。然后介绍了APPJ近几年的研究进展,包括射流装置结构、活性粒子探测方法、射流与外界物质相互作用及应用等方面。最后对APPJ面临的一些关键问题和发展方向进行了展望。     

第二十二讲 化学气相沉积（CVD）技术

<正>（接2023年第6期88页）微波等离子体CVD法是制备优质金刚石薄膜的好方法。在微波CVD装置中,极高频率的微波电场将使气体放电产生等离子体。等离子体中电子的快速往复运动进一步撞击气体分子,使得气体分子分解为H*和各种活性基团。这些大量的原子氢和活性的含碳基团是用低温低压的CVD方法沉积金刚石所必需的。     

介质阻挡放电净化汽车尾气NOX和HC的应用研究

研制了一套高压脉冲电源和介质阻挡放电反应器,通过在常压下放电产生低温等离子体。结合模拟汽车排气试验,对放电电压、脉冲频率、含氧量以及初始浓度影响HC、NOx净化的规律进行了系统研究。研究表明,利用介质阻挡放电产生低温等离子体净化尾气,是一种具有发展前景的排气后处理技术,对汽车尾气NOx和HC的净化具有明显的净化效果。     

微波ECR等离子体装置的性能研究

低轨道航天器的空间等离子体环境主要为低温、低密度、等离子体。文章详细叙述了等离子体对航天器的影响及其两个ECR微波等离子体校准装置的组成结构,并使用标准Langmuir探针对等离子体的参数进行实验测量和分析,得到了电子密度、电子温度、空间电位和悬浮电位等参数,满足了电子密度106～108个/cm3,电子温度1～10 eV等低轨道航天器的空间等离子体参数要求。     

气体放电等离子体及应用的研究进展

由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用。为了推动气体放电及等离子体理论与应用技术的研究和发展,综述了近年来各种典型气体放电机理的发展。分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状,最后介绍了气体放电等离子体的应用领域。