氩气辅助激发大气压微波冷等离子体射流的研究

微波同轴谐振器已被广泛用作大气压等离子体射流的发生装置,其产生的等离子体射流已用于生物医学、材料表面处理等众多领域,大气压条件下微波放电等离子体源的功率阈值是影响其能否广泛应用的关键问题。文中设计的微波等离子体射流源工作频率2.6 GHz,回波损耗13.99 dB,工作气体为Ar气,大气压条件下产生紫色的丝状射流,击穿功率41.1 dBm(12.9 W),维持功率仅20 dBm(0.1 W)。结合实验观察和ANSYS Fluent流体力学仿真方法探究了等离子体射流长度与气体体积流量、输入功率的关系,发现层流状态下射流长度随气体体积流量增大而伸长,湍流状态下则反之,但不同气体体积流量下射流长度均随着输入功率单调增大。同时,实验发现关断Ar气后等离子体并未熄灭,而是诱发了同轴尖端附近位置的空气等离子体维持状态。在此基础上提出以Ar气或He气为先导气体,将其电离击穿后辅助激发难电离气体产生冷等离子体射流,在不需要提供高微波功率条件下实现了CO₂、N₂、O₂等冷等离子体射流。     

电流密度对大气压射频辉光放电等离子体特性影响的数值模拟

由裸露金属电极结构发生器产生的大气压射频辉光放电(radio frequency atmospheric pressure glow discharge,RF APGD)等离子体射流具有活性粒子浓度高、射流温度较低且可控性强等特点。为研究电流密度对大气压射频辉光放电等离子体特性的影响规律,采用数值模拟的方法,以高纯氦为工作气体,通过流体模型分别对RF APGD放电区和射流区进行了一维非稳态和二维准稳态数值模拟。论文揭示了放电电流密度对RF APGD等离子体特性的影响规律。计算结果表明:在放电区,随着放电电流密度的增加,活性粒子数密度和气体温度均显著升高,当电流密度较高时,放电由α模式转化为γ模式;而在射流区,一方面,随着放电电流密度的增加发生器出口处的气体温度和等离子体密度提高,另一方面,由于气体温度的升高会提高射流区部分去电离反应的速率,导致射流区电子和离子衰减得更快,从而使得射流区不同空间位置处的活性粒子数密度并非随电流密度增加而单调增加。     

大气压放电氦气等离子体射流特性

为研究大气压下不同氦气等离子体射流结构的电特性及其射流影响因素,对外表面双电极、针-环电极、单电极结构下的大气压放电氦气等离子体射流特性进行了实验分析。分别观测、对比了不同实验条件,如电极位置、电极尺寸、外加电压和气体体积流量等,对等离子体射流的影响。结果表明:外表面双电极和针-环电极结构均可实现稳定的多脉冲放电;处于层流状态时,3种结构下等离子体射流长度均随着电压的升高而变长;当针-环电极结构的接地电极远离喷口,或是单电极结构的高压电极远离喷口时,射流长度均会缩短;外表面双电极和单电极结构中,高压电极宽度的增大会使射流长度变长,但针-环结构中电极宽度增大反而会导致射流长度缩短;针-环电极结构的伏安曲线、功率特性曲线均比外表面双电极结构的对应曲线"陡",且针-环电极结构的放电功率相对较高。     

大气压非平衡等离子体射流活性粒子产生机制EI北大核心CSCD

大气压非平衡等离子体中的高能电子和大量活性粒子如O、OH等能够同污染物发生反应,达到促进污染物降解的目的。因此通过数值模拟和实验的方法对大气压脉冲直流等离子体射流推进以及OH产生机理进行了研究。模拟结果表明:介质管内表面附近形成的鞘层将等离子体通道和介质隔离开来,介质边缘的强电场增强了气体混合区域的电离,因此射流头部呈现出环状结构。Penning电离在电离过程中起主导作用并提高了等离子体通道的电导率。电子分解水分子,电子和水离子的复合以及O(1D)分解水分子是产生OH最主要的3个反应,其中电子分解水分子在3者中作用最大。工作气体中掺入额外的N2、O2和水蒸气能够小幅度提高OH的密度是因为Penning电离增加了电子密度。由于空气的扩散,尽管掺入水蒸气能够使管内OH密度有显著提高,该方法对提高管外OH密度效果并不明显。选择合适的脉冲周期数是控制射流活性的有效手段。     

大气氛围中氩气等离子体射流的数值模拟

为了分析大气压空气环境中氩气等离子体射流的特性,建立了二维轴对称的等离子体射流喷射模型;考虑待处理材料对等离子体射流的影响,利用Jets＆Poudres软件耦合求解了等离子体射流的可压缩N—s方程、能量方程以及K-e湍流方程;采用自由边界条件来处理射流等离子体的外边界条件,分析了射流等离子体的温度、速度以及所含空气组分...     

大气压氦气冷等离子体射流放电一维数值模拟

为了明确大气压冷等离子体射流的形成机理,采用一维流体模型研究了针-板电极下大气压氦气冷等离子体射流中等离子体子弹的传播过程,得到并分析了等离子体子弹的空间结构。模拟结果表明,等离子体子弹实际上就是等离子体射流头部的电离区域,其传播过程即为该电离区域的推进过程。Penning电离可以为等离子体射流的传播提供种子电子。驱动电压的极性对等离子体射流的性质有着重要的影响,与正脉冲驱动等离子体射流不同,负脉冲驱动下的等离子体射流具有一个较窄的阴极位降区,且内部没有准中性区域。     

基于锥形管的环-板电极结构大气压等离子体射流特性

为了研究锥形管对Ar大气压等离子体射流的影响,在环–板电极结构的基础上,采用锥形石英玻璃管作为等离子体射流反应器,并引入了悬浮电极,对其进行了实验研究。通过大气压氩等离子体射流的电气特性的测量和光学特性的诊断,包括拍摄发光图像,测量射流的电压–电流波形和发射光谱,然后计算获得平均放电功率和电子激发温度,研究了当采用不同形状的玻璃管时,Ar等离子体射流的放电特性和演变规律,并结合气体流场仿真与电场仿真对所得的实验结果进行了分析。结果表明:与传统的直管电极结构相比,引入悬浮电极的基于锥形管的环–板电极结构产生的等离子体射流的放电电流有效值、放电功率以及电子激发温度均有所提高;利用锥形管可以使管中Ar气流在出口处的流速更快,且速度分布更为均匀,使得Ar气流可以更为平稳的向前扩展;同时在管口附近形成Ar含量较大的气体氛围,更有利于放电的发展;在环板电极结构中引入悬浮电极,加强了高压电极与悬浮电极间的电场,更易使流过电场中的气体电离,并且使能量集中在射流产生通道,提高了能量利用率。     

大气压He中2维射流阵列放电特性的影响因素

为获得大气压大面积射流低温等离子体,在大气压He中产生稳定的2维射流阵列放电,并通过发光图像、电压电流波形、Lissajous图研究其发光特性和电气特性。在此基础上,研究了电极结构、电压幅值、气体体积流量对2维射流阵列放电特性和均匀性以及射流长度、放电功率和传输电荷等关键放电参数的影响。结果表明:针–环和针–环–板结构的射流阵列在一定条件下都能产生均匀、稳定的等离子体射流阵列。电压幅值的增加对放电均匀性影响不大,但能有效提高射流阵列的放电功率和射流长度,从而提高射流阵列放电强度;气体体积流量对放电强度影响较小,但对放电均匀性影响较大,因此增大气体体积流量可以提高放电均匀性;电极结构对放电功率和传输电荷影响较少,在电压幅值、气体体积流量较小的情况下,板电极的引入有助于获得更长的射流。     

预电离大气压低温等离子体射流及其在表面清洗中的应用

具有高化学活性的大气压放电低温等离子体射流具有潜在的应用价值。为此,介绍了一种利用预电离办法产生Ar/O2等离子体大气压低温射流及其在表面油污清洗中的应用。采用针电极放电等离子体作为预电离源,为射流介质阻挡放电(DBD)提供种子电子,使得射流DBD的击穿与维持电压得以降低,即使在氧气与氩气体积比高达6%时,也可以产生均匀稳定的放电模式。采用光纤温度传感器检测得到放电等离子体气体温度在390～440K,而Boltzmann斜率法计算得到的电子激发温度为4640K,通过示踪元素法计算得到氧原子数密度在1017 cm-3量级。将该射流应用到玻璃表面油污清洗,最大清洗速率可达0.1mm/s。所以预电离技术可以产生具有高化学活性的均匀放电的大气压低温等离子体射流,该射流在表面油污清洗中具有较高效率。     

大气压氩气等离子体射流长度的影响因素

为了研究不同大气压氩气射流结构的放电特性以及气流速率、外施电压和电极结构对射流体长度的影响,设计了外表面双电极、外表面单电极和中心同轴电极3种不同结构的氩气等离子体射流装置,并结合气体动力学和静电场进行了分析。实验结果表明,随着气流速率的增加,射流管内的氩气流动状态会经历从最初的层流态到中间的过渡态再到最后的湍流态的过...     

He二维射流阵列放电模式转换条件实验

为获得高强度和大面积大气压下等离子体射流,利用类蜂巢状电极结构,在大气压He中获得了两种不同模式的二维射流阵列放电,比较了它们的放电特性,并研究了气流速度、射流单元之间距离和外加电压幅值等参数对射流阵列模式转换的影响。结果表明,He中射流阵列在一定条件下会出现具有较高放电强度的强耦合模式和具有较大放电面积的均匀模式两种放电模式,相同的外加电压幅值下,强耦合模式阵列的放电功率、传输电荷和主要粒子谱线强度均高于均匀模式。射流单元之间距离和气体流速是影响射流阵列模式转换的主要决定因素,外加电压的变化只会影响到放电强度而不会影响到射流阵列的放电模式。射流单元之间距离为0.2mm,流速小于5L/min时,放电模式为强耦合模式;流速大于5L/min放电转换到均匀模式;当射流单元之间的距离超过0.4mm时,放电只出现均匀模式。     

氦等离子体射流子弹及活性粒子时空分布特征研究

重点研究了脉冲激励的大气压氦等离子体射流子弹及活性粒子的时空分布特征。通过电学测量和光学测量等手段,研究了不同放电参数对子弹传播特性的影响规律,并一步得到等离子体子弹中活性粒子(He、N2~+和O)的分布特征。实验结果表明:1)脉冲上升沿和下降沿各产生一次放电,其等离子体子弹呈现不同形状,这与空间电荷的作用相关;2)放电电压和放电频率对子弹传播影响较大,射流长度和子弹速度随施加电压增加而增加,但电压过高会发生湍流现象,导致射流长度减小。子弹速度同样随频率增加而增加,但在高频率下,其速度衰减更快;3)N_2~+粒子的时空分布与等离子体子弹一致,传播距离较远,He、O粒子传播距离较短,位于石英管出口附近。     

等离子体射流的推进机理

作为一种应用前景广阔的新兴等离子体源,大气压下非平衡等离子体射流在近10年的研究中取得了很大进展。为了更有效地利用等离子体射流,人们对其物理机理展开了深入研究,其中等离子体射流的传播机理尤其令人关注。一般认为等离子体射流的传播是受电场驱动的,但是最新的研究表明还存在另外一种驱动方式,即流体驱动。分别对以上两种驱动方式下射流传播的特点和影响因素进行了概述,并对电场驱动等离子体射流传播的空间特性、时间特性、极性效应,以及光电离的作用进行了讨论。流体驱动的等离子体射流与电场驱动的等离子体射流有着完全不同的传播过程,这种射流的传播是通过气流驱动的,具有推进速度相对较低,对电场不敏感等特性。最后,该文对大气压非平衡等离子体射流的传播机理中尚未解决的问题,以及未来的研究方向作了展望。     

交流和纳秒脉冲激励氦气中等离子体 射流阵列放电特性比较

为获得大气压下均匀稳定的大尺度低温等离子体射流,用交流(AC)和纳秒(ns)脉冲电源激励在氦气中产生一维射流阵列放电,比较两种电源激励射流阵列的放电均匀性、瞬时功率、平均功率和发射光谱强度等放电特性和参量,并通过拍摄气流通道的纹影图像和估算射流单元之间的库仑力作用,研究和分析射流阵列的射流单元之间的流场和电场相互作用。结果表明,采用ns脉冲电源可以有效地提高射流阵的均匀性,增加等离子体羽长度、瞬时功率和粒子谱线强度,降低平均功率。不同于AC激励射流阵列,ns脉冲激励的射流阵列中两侧的射流单元几乎不发生偏转。采用ns脉冲激励可以同时减少气体加热作用和库仑力的排斥作用,从而有效地抑制射流单元之间的流场和电学相互作用,是提高射流阵列均匀性的主要原因。     

大气压非平衡等离子体射流活性粒子产生机制

大气压非平衡等离子体中的高能电子和大量活性粒子如O、OH等能够同污染物发生反应,达到促进污染物降解的目的。因此通过数值模拟和实验的方法对大气压脉冲直流等离子体射流推进以及OH产生机理进行了研究。模拟结果表明:介质管内表面附近形成的鞘层将等离子体通道和介质隔离开来,介质边缘的强电场增强了气体混合区域的电离,因此射流头部呈现出环状结构。Penning电离在电离过程中起主导作用并提高了等离子体通道的电导率。电子分解水分子,电子和水离子的复合以及O(1D)分解水分子是产生OH最主要的3个反应,其中电子分解水分子在3者中作用最大。工作气体中掺入额外的N2、O2和水蒸气能够小幅度提高OH的密度是因为Penning电离增加了电子密度。由于空气的扩散,尽管掺入水蒸气能够使管内OH密度有显著提高,该方法对提高管外OH密度效果并不明显。选择合适的脉冲周期数是控制射流活性的有效手段。     

空气等离子体射流动态过程分析

等离子体射流可有效提高点火效率,为探究等离子体射流动态特性,建立了实验测量系统,利用高速CCD相机记录等离子体点火射流发展过程,分析了等离子体射流击穿过程和稳定工作过程特性。实验结果表明:设计的等离子体点火器电弧击穿时间为65 ns,击穿电压为9.2 k V,射流形成时间约为1.62 ms;大尺度分流周期约为1.1~1.8 ms,小尺度分流周期约为0.1~0.16 ms;电极温度的均匀度、高速旋流气体对电弧发展以及射流形成过程中的强烈脉动有不同程度的影响;射流核不存在稳定区域。     

大气压氩等离子体射流的放电特性

为了深入地理解大气压等离子体射流放电机理和优化其放电效率,通过对大气压氩等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了外电极距石英玻璃管口不同距离时,氩等离子体射流放电的放电特性和演变规律。计算放电功率、传输电荷量、电子激发温度、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量后,研究了它们随外加电压增加的变化趋势,并结合放电机理对所得实验结果进行了分析。结果表明,氩等离子体射流主要产生的粒子有OH、N2、Ar和少量的O,随着外电极位置的不同,气体温度在317～395K之间变化,为典型的低温等离子体;外电极位置影响放电模式和放电起始电压,在氩射流阶段,电子激发温度在不同外电极位置条件下相差不大。当外电极距离管口40mm时,外加电压幅值达8kV时,放电功率和传输电荷最大,放电效果和发光强度也最强,由Penning效应产生的OH谱线强度也最强,因此,用于聚合物材料表面改性等应用时,可以采用此运行参数,以达到更好处理效果。     

等离子体射流参数对染污硅橡胶憎水迁移速率的影响

硅橡胶的憎水性及憎水迁移性是复合绝缘子能够防治污闪事故的主要原因,快速提高染污硅橡胶材料的表面憎水迁移速率具有重要意义。为此,采用介质阻挡放电(DBD)产生的低温等离子体射流装置对染污后的硅橡胶材料进行了处理,研究了不同等离子体射流处理参数对染污硅橡胶憎水迁移速率的影响。研究结果表明:等离子体射流放电电压、射流处理间距、射流气体体积流量、染污灰密度(NSDD)等因素对提高染污硅橡胶憎水迁移速率有较大影响;外加射流放电电压幅值越高、射流气体体积流量越大,则射流处理后初始接触角越大、憎水迁移性越好;射流处理存在有效间距,等离子体与染污硅橡胶间距超过4 cm后,处理效果将大大降低;染污灰密度增大,射流处理后憎水性改善效果变差。分析实验结论推测等离子体射流作用过程中射流能量是促使憎水迁移速率加快的主要因素。     

介质阻挡放电中的紫外线预电离

为解决大气体下尤其是空气辉光放电产生等离子体的困难,通过采用脉冲火花放电产生的紫外线对介质 阻挡放电预电离试验研究了紫外线预电离对降低空气击穿场强、“点燃”主放电的作用和气压与主放电频率对预电 离的影响;探讨了与气体流动等条件相结合,用预电离方法实现大气压下空气中辉光放电的可能性。     

双环电极大气压氦气等离子体射流的特性及其影响因素

大气压等离子体射流(APPJ)具有极强的应用前景,近年来在国际上引起了重大关注,成为气体放电领域的重要研究课题。为了进一步掌握其射流特性及影响因素,设计并制作了外表面双环电极氦气等离子体射流装置,通过实验研究了电极宽度、电极与喷口距离对射流功率及射流长度的影响,并在实验的基础上,分析了放电的发展过程以及各现象的物理机理。实验结果表明:随着外加电压的不断升高,APPJ半周期内的放电电流脉冲个数从1个逐步升至2个、3个,随后放电电流出现不规则丝状,直至2个电极间沿外表面击穿;增大高压电极的宽度或缩短高压电极离喷口的距离,都有利于APPJ放电功率的提升;2个电极间距越大、高压电极离喷口越远,最大射流长度越长,而初始的射流长度由高压电极宽度决定;随着氦气流量的增加,APPJ的射流长度先增长,然后下降,最终趋于平稳,在射流长度的下降阶段会出现长度多波峰现象。