空气介质阻挡放电不同放电模式的光谱特性

采用光谱方法,研究了空气介质阻挡放电中流光向类辉光转变时电子能量的变化。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线,测量了氮分子(C3Π_u)的振动温度。通过考察氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子337.1 nm谱线强度之比,研究了电子平均能量的变化。结果表明,流光向类辉光转变时,氮分子(C3Π_u)的振动温度激增,氮分子离子391.4 nm相对谱线强度突增,表明类辉光放电模式中电子能量比流光放电模式中电子能量高很多。实验还发现,气隙间距不同,这两种放电模式转变所对应的转变气压不同,但转变气压与气隙间距的乘积值保持不变。     

大面积氮气均匀介质阻挡放电发射光谱研究

采用板-板式电极结构在大气压氮气中成功地获得了具有工业应用前景的大面积均匀介质阻挡放电等离子体。利用发射光谱技术测量了N₂(C3Π_u→B3Π_g)和N₂+(B2Σ+_u→X2Σ+_g 0-0 391.4 nm)的发射光谱,并研究了应用电压和驱动频率对N₂(C3Π_u→B3Π_g)和N₂+(B2Σ+_u→X2Σ+_g 0-0 391.4 nm)发射光谱强度的影响。结果表明,当应用电压小于6 kV时,N₂(C3Π_u→B3Π_g)和N₂+(B2Σ+_u→X2Σ+ _g0-0 391.4 nm)的发射光谱强度随应用电压增大变化较小,进一步升高应用电压时,等离子体发射光谱强度陡然增强。本文还讨论了激发态N+₂(B2Σ+_u)离子在纯N₂和He+N₂混合气体中介质阻挡大气压均匀介质阻挡放电下的主要产生机制。     

细长金属管内产生的直流辉光等离子体发射光谱诊断

利用发射光谱法对金属管内形成的稳定氩氮直流辉光等离子体进行了诊断。通过对等离子体发射光谱谱线的研究确定了等离子体中的活性粒子成分;根据氩原子的玻尔兹曼曲线斜率法计算了等离子体中的电子激发温度;采用氮分子第二正带系跃迁(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算了等离子体中的氮分子振动温度;研究了电子激发温度和氮分子振动温度随压强的变化特征。研究结果表明,在20 Pa下产生的Ar60%+N₂40%直流辉光等离子体中,活性成分主要是Ar原子、Ar离子、N₂的第二正带系跃迁(C3Π_u→B3Π_g)和N+₂的第一负带系跃迁(B2Π+_u→X2Σ+_g);电子激发温度约为(15 270±250)K;氮分子(C3Π_u)振动温度约为(3 290±100)K;随着压强的增加电子激发温度、分子振动温度逐渐降低。文章的研究结果对细长金属管内表面改性研究具有重要的意义。     

光谱学方法研究介质阻挡沿面放电辉光模式的电场分布

利用介质阻挡沿面放电装置,在低气压空气中实现了辉光放电模式。利用光电倍增管对放电发光信号进行检测,发现外加电压每半周期出现一个发光脉冲,并且正负半周期的光脉冲是不对称的。利用Photoshop软件处理放电的照片,研究发现平行于高压电极不同位置的发光强度基本相同,然而距离高压电极越远,发光强度减小。放电中总电场由外加电场和电介质积累的壁电荷电场共同决定,确定该电场具有重要意义。通过分析放电的发射光谱中N+₂(B 2Σ+_u→X 2Σ+_g)谱线391.4 nm和N₂的第二正带系(C 3Π_u→B 3Π_g)谱线337.1 nm的比值,可以定性地说明电场的分布。研究发现电场在高压电极附近较大而远离高压电极处较小。这些研究结果对沿面放电的数值模拟和工业应用具有重要的价值。     

少量氩气对大气介质阻挡放电光谱的增强

采用双水电极介质阻挡放电装置,测量了大气介质阻挡放电的光谱,并研究了加入少量氩气后光谱的变化。在300～800 nm波长范围内,发现了氮分子(C3Π_u(v′=0)→B3Π_g(v″=0～4))的光谱和氮原子(4d4D_7/2→3p4P0_1/2)的光谱。在大气中加入少量氩气后,击穿电压明显降低,在相同电压条件下,氮分子光谱线和氮原子光谱线强度都增强。同时,加入氩气后上述谱线的半宽度明显加大。由于谱线的Stark加宽与电子密度成正比, 说明加入氩气后等离子体的电子密度增大, 使得电子碰撞激发氮分子及氮原子的概率增大,激发到较高激发态的氮原子或氮分子增多,从而使光谱强度增强。     

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。     

介质阻挡放电蜂窝斑图形成过程的光谱研究

采用光谱法, 研究了氩气/空气混合气体介质阻挡放电中蜂窝斑图形成过程中等离子体参量的变化。实验发现,随着电压的增加,放电经历六边形点阵斑图及疏密点同心圆环斑图后,形成了蜂窝斑图。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线、氩原子763.26 nm(2P₆→1S₅)与772.13 nm(2P₂→1S₃)两条谱线强度比法和氩原子696.57 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽,分别研究了上述三种斑图的分子振动温度、电子激发温度和电子密度。结果发现：蜂窝斑图的分子振动温度和电子激发温度均高于六边形点阵斑图相应的温度,但其电子密度却比后者的电子密度低。实验还通过电容法,测量了放电斑图的放电功率,发现蜂窝斑图的放电功率远远高于六边形点阵斑图的放电功率。工作结果对于研究介质阻挡放电自组织斑图的形成机制具有重要意义。     

中等pd值介质阻挡放电中等离子体温度研究

近大气压条件下,在介质阻挡放电系统中得到了氩气和空气混合气体在300～800 nm范围内的发射光谱,研究了中等pd值(约6.4×103 Pa·cm) 氩气和空气混合气体中电子激发温度与分子振动温度。实验选用两条ArⅠ谱线763.51 nm(2P₆→1S₅)与772.42 nm(2P₂→1S₃),用强度对比法测量电子激发温度,利用氮分子第二正带系(C 3Π_u→B 3Π_g)计算氮分子振动温度。实验结果表明：电子激发温度和分子振动温度均随电压的增加而增加,并且电子激发温度随电压的变化速率大于分子振动温度的变化速率。     

压强对空气/氩气介质阻挡放电中等离子体温度的影响

使用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体放电中,利用发射光谱法,研究了电子激发温度和分子振动温度随气体压强的变化关系。通过氩原子763.51 nm(2P₆→1S₅)和772.42 nm(2P₆→1S₃)两条谱线强度比法计算电子激发温度;通过氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算氮分子的振动温度;对氮分子离子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进行了测量,以进一步研究电子能量的变化。实验表明,随着压强从20 kPa增大到60 kPa, 电子激发温度减小,分子振动温度减小, 氮分子离子谱线与激发态的氮分子谱线强度之比减小。     

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。     

线-板式脉冲电晕放电反应器的发射光谱研究

以发射光谱法为基础,检测了常压状态线-板式脉冲电晕放电过程OH自由基在反应器内的空间分布;研究了线电极直径,线线间距以及线板间距对生成OH自由基的影响;从而明确脉冲电晕放电反应器的性能。结果显示:OH自由基浓度沿线电极X轴方向逐渐降低,活化区域半径20mm左右,沿Y轴方向先升高后降低,活化区域半径大于30mm;线电极的直径小于2mm时,OH自由基的光谱强度基本不变,线电极直径继续增大,发射光谱强度随之迅速下降。线线间距逐渐增大,OH自由基的发射光谱强度随之增强。OH自由基的发射光谱强度随着线板间距的增大而降低。     

脉冲电晕放电电子能量及OH,O或O3对NO氧化的光谱学研究

采用发射光谱法测量了线板式脉冲电晕放电中激发态氮气分子N2*和离子N2+的光谱强度,并与数值计算获得的结果进行对比,确定放电电场的空间分布及平均电子能量。水平与竖直方向离开线电极0～2cm,随着距离的增加,平均电子能量和电场均呈先减后增的变化趋势;放电电场变化范围11.05～19.6MV.m-1,对应的平均电子能量的变化范围10.10～13.92eV。这一能量水平的电子足以与O2,H2O分子碰撞产生O,OH自由基,并进一步反应生成O3。在NO氧化过程中,NO可与OH自由基共存,但不能与O3共存;且O3或O氧化NO的效率高于OH自由基,推断O3或O在NO的氧化过程中起关键作用。     

脉冲电晕放电流光发展和OH自由基二维分布的发射光谱研究

流光在OH自由基的生成过程中起到重要作用。为了研究流光与OH自由基之间的关系,利用ICCD拍摄了线板式脉冲电晕放电反应器内流光的形成和发展过程,着重研究了在反应器几何结构固定的情况下,输入峰值电压对流光发展速度和流光在阴极板覆盖范围的影响。实验表明在反应器不击穿的情况下,输入峰值电压越大,越有利于流光的发展,因此生成的高能电子数量越多。此外我们还利用发射光谱法测量了脉冲电晕放电反应器内OH自由基的二维分布特性,并且与流光发展轨迹图对比。OH自由基在放电电场中的分布特性是以电极线为中心向四周扩散,浓度逐渐降低。这个结论和流光在脉冲电晕放电反应器内的发展轨迹图相吻合。     

Measurement of OH spatially resolved spectrum in a wire-plate pulsed streamer discharge

In this study, spatially resolved measurements of the emission intensity of OH (A²Σ↦X²Π, 0-0) and the vibrational temperature of N₂ (C) have been performed during a positive pulsed streamer discharge with a wire-plate electrode configuration at atmospheric pressure. The effects of pulse peak voltage, pulse repetition rate and the added O₂ flow rate on the spatial distributions of the emission intensity of OH (A²Σ↦X²Π, 0-0) and the vibrational temperatures of N₂ (C) perpendicular to the wire in the direction towards the plate (in the radial direction) are investigated. It has been found that the emission intensity of OH (A²Σ↦X²Π, 0-0) increases with increasing pulse peak voltage and pulse repetition rate and decreases with increasing the distance from the wire electrode. When the different oxygen flows are added in N₂ and H₂O mixture gas, the emission intensity of OH (A²Σ↦X²Π, 0-0) decreases with increasing the flow rate of oxygen. The vibrational temperature of N₂ (C) is nearly independent of pulsed peak voltage and pulsed repetition rate, but increases with increasing the added O₂ flow rate and keeps almost constant in the radial direction under the present experimental conditions. This measurement plays a crucial role in understanding the discharge characters of pulsed streamer discharge and establishing the molecule reaction dynamics model of pulsed streamer discharge.     

A wire-to-wire type nonthermal plasma reactor with ferroelectric pellet barrier

A new wire-to-wire type of discharge plasma reactor with ferroelectric pellet barrier has been proposed and investigated experimentally. It was found that there were intense microdischarge currents taking place on the AC corona-charged surfaces of the ferroelectric pellet barrier. These surfaces were placed on the bottom wire electrode in the reactor. This type of nonthermal plasma reactor was found to generate a corona discharge twice per half cycle of the applied AC high voltage, once from the upper corona wire and again from the surface of the pellet barrier.As a result, the proposed plasma reactor has the potential to greatly increase ozone production and may find use as an effective means for removing pollutant gases.     

Local electron mean energy profile of positive primary streamer discharge with pin-plate electrodes in oxygen nitrogen mixtures

Local electron mean energy (LEME) has a direct effect on the rates of collisional ionization of molecules and atoms by electrons. Electron-impact ionization plays an important role and is the main process for the production of charged particles in a primary streamer discharge. Detailed research on the LEME profile in a primary streamer discharge is extremely important for a comprehensive understanding of the local physical mechanism of a streamer. In this study, the LEME profile of the primary streamer discharge in oxygen-nitrogen mixtures with a pin-plate gap of 0.5 cm under an impulse voltage is investigated using a fluid model. The fluid model includes the electron mean energy density equation, as well as continuity equations for electrons and ions and Poisson’s electric field equation. The study finds that, except in the initial stage of the primary streamer, the LEME in the primary streamer tip tends to increase as the oxygen-nitrogen mole ratio increases and the pressure decreases. When the primary streamer bridges the gap, the LEME in the primary streamer channel is smaller than the first ionization energies of oxygen and nitrogen. The LEME in the primary streamer channel then decreases as the oxygen-nitrogen mole ratio increases and the pressure increases. The LEME in the primary streamer tip is primarily dependent on the reduced electric field with mole ratios of oxygen-nitrogen given in the oxygen-nitrogen mixtures.     

利用发射光谱研究脉冲电晕放电中的自由基

利用发射光谱技术在大气压下测量了以氮气为载气的不饱和水蒸气体系针-板式正脉冲电晕放电产生的OH(A^2∑→X^2Ⅱ0—O)自由基和O(3p^5P→3s^5S^02777．4nm),Ha(3P→2S 656．3nm)活性原子的发射光谱,并由N2(C^3Ⅱu→B^3Ⅱg)的△v=-3和△v=-4振动带序发射光谱强度计算得出N2(C,v)的相对振动布居及其振动温度,进而采用高斯分布拟合准确地求出了N2(C^3Ⅱu→B^3Ⅱg)的△v= 1振动带序发射光谱强度,从而可以由N2(C^3Ⅱu→B^3Ⅱg)的△v= 1振动带序与OH(A^2∑→X^2Ⅱ0—0)的重叠发射光谱中准确求出OH(A^2∑→X^2Ⅱ0—0)自由基的发射光谱强度。由发射光谱强度得到了激发态OH(A^3∑)自由基和O(3p^5P),Ha(3P)活性原子的布居。还研究了激发态OH(A^2∑)自由基和O(3p^5P),Ha(3P)活性原子的布居随放电电压和放电频率的变化以及氧气对激发态OH(A^2∑)自由基和O(3p^5P),Ha(3P)活性原子布居的影响。     

Pulsed corona discharge driven by Marx generator: Diagnostics and optimization for NOx treatment

A compact, repetitive Marx generator with an external trigger is constructed and coupled with a wire-to-plate corona reactor for a positive pulsed corona discharge studies. The reactor resistance and capacitance behavior during the pulse was observed. It was found that the reactor's capacitance increases three times during the pulse due to the streamer propagation from anode to grounded electrode. Using the time development of the capacitance and resistance during the pulse and the reactor inter-electrode distance, the streamer velocity has been calculated to be 1 × 10⁶ m/s, for system arrangement presented in this work. As an indicator of chemical activity of pulsed corona, ozone production was measured. Emission spectroscopy measurements in the UV region were performed to detect species that appear in the discharge and to determine vibrational and rotational temperatures, which are found to be 3200 K and 340 K respectively. As a measure of pollution control potential of the constructed pulsed corona system, NO oxidation efficiency was investigated and compared with results presented in literature. It was shown that pulsed corona systems with significantly longer pulse durations are competitive with several times shorter pulse duration systems, which implies that chemical efficiency of secondary streamers is comparable with efficiency of primary streamers.     

真空中电子辐照下聚四氟乙烯沿面闪络电压特性

为了研究聚四氟乙烯材料(PTFE)在空间粒子环境中放电规律及其影响因素,通过实验获得了高真空低能电子辐照下PTFE高压直流沿面闪络电压,并采用等温电位衰减法测试了PTEE在辐照前及辐照后的陷阱密度,分析了影响PTEE沿面闪络电压的因素。研究结果表明:相比于无辐照时PTFE沿面闪络电压,当辐照电子能量为19~25 keV时,闪络电压明显更高;在电子束流密度不变的情况下,电子能量越高,材料表面正电荷密度越小,陷阱密度与电导率越大,电场畸形程度越小,因此闪络电压升高;当电子能量一定时,束流密度越高,初始电子数量和二次电子数量越多,因此闪络电压降低。