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大气压针—环式介质阻挡放电等离子体射流源的电极结构设计和特性研究

洪义  
【摘要】:与传统的大气压非平衡等离子体装置相比,大气压冷等离子体射流装置具有以下几个优点:(1)等离子体射流形成于开放的空气环境中,而不是局限在窄小的放电空间;(2)无论是直接处理还是间接处理,都能使大部分寿命短暂的活性粒子在消失之前,到达被处理物体的表面;(3)对被处理物体的几何形状和尺寸没有限制:(4)通过移动等离子体射流装置,能够对被处理物体进行三维处理。此外,大气压冷等离子体射流秉承了大气压非热平衡等离子体的优良特点,富含了大量的化学活性粒子如羟基、氧原子等,并且气体温度只有几百K,在极端非平衡条件下气体温度甚至接近室温。因此,在生物医学应用、材料表面改性、薄膜沉积、刻蚀等众多工业应用领域受到了广泛的关注,已成为国际上的研究热点。 设计和改进大气压冷等离子体射流装置、诊断等离子体射流的特性、完善等离子体射流的诊断方法等,是目前等离子体科学与工程技术研究中的重要方向。因此,本文以大气压冷等离子体射流装置的结构设计和特性诊断作为研究重点,开展了以下工作: 1.设计了一种螺环-环式电极结构的大气压沿面介质阻挡放电Ar冷等离子体射流装置,并对其进行了电学和光学特性诊断。结果表明:该等离子体射流的有效功率和气体温度相对较低,并且有效功率、氮分子转动温度和振动温度、电子激发温度、氧原子密度、氮分子密度和平均电子密度随峰值电压的增大而增大,其中氧原子密度、氮分子密度和平均电子密度的数量级分别达到了1016cm-3、1016cm-3和1012cm-3。 2.设计了一种管-环式电极结构的大气压沿面介质阻挡放电Ar冷等离子射流装置。该等离子体射流装置是对螺环-环式电极结构等离子体射流装置进行改进,增强轴向电场而设计得到。通过电学和光学特性诊断,发现该等离子体射流的有效功率低、放电空间电场强度大、电子温度高,并且氮分子振动温度、电子激发温度、氧原子密度和平均电子密度明显大于螺环-环式电极结构等离子体射流,其中氧原子密度高出约34%。 3.设计了一种针-管-环式电极结构的大气压介质阻挡复合放电Ar冷等离子体射流装置。该等离子体射流装置是在管-环式电极结构等离子体射流装置的管状高压电极里插入一根针状高压电极所得到。通过电学和光学特性诊断,发现该等离子体射流的传导电流峰值、有效功率、氮分子振动温度、电子激发温度、光谱强度、氧原子密度、氮分子密度和平均电子密度明显大于管-环式电极结构等离子体射流,其中氧原子密度高出约21%。 4.为了解决前面三种介质阻挡放电等离子体射流装置在介质内点燃等离子体的缺点,设计了一种针-环式电极结构的大气压介质阻挡放电Ar冷等离子体射流装置,并对其进行了电学和光学特性诊断。结果表明:该等离子体射流装置能够在较低电压下,直接在装置的外部产生等离子体射流,并且具有针尖处电场强度大、气体温度相对较低、氧原子密度数量级达到1016cm-3等特点。 5.在针-环式电极结构的大气压介质阻挡放电Ar冷等离子体射流装置的基础上,设计了一种针-环式电极结构的大气压介质阻挡放电Ar/O2冷等离子体射流装置,并对其进行了电学和光学特性诊断。结果表明:该等离子体射流装置能够在氧气对氩气的体积比高达12.5%的Ar/O2混合气体中稳定放电,并且具有针尖处电场强度大、电子温度和电子能量高、气体温度接近室温、化学活性氧原子多等特点。此外,对亚甲基蓝溶液进行了降解实验,结果表明亚甲基蓝溶液的降解效率达到了90%以上。 6.利用针-环式电极结构大气压介质阻挡放电等离子体射流装置,实现了大气压介质阻挡放电空气冷等离子体射流。通过电学和光学特性诊断,发现该空气冷等离子体射流装置能够在静止和流动两种空气环境下,产生空气冷等离子体射流,并且针尖处电场强度大、电子温度和电子能量高、射流长度长、气体温度接近室温、化学活性粒子种类和数量多等特点。


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