微波等离子体的双探针诊断

在各等离子体中微波等离子体有电离度高,电子密度高等优良性能,其性能使微波等离子体的应用越来越广泛。微波等离子体相关参数的诊断研究也逐渐得到人们的重视。文章介绍了微波等离子体的探针诊断技术,设计了一个双探针自动诊断系统,其中ICL8083芯片作为信号发生器（产生三角波和方波）,高度集成化的ADUC845芯片作数据处理器并接入计算机,经扫描采样得到离子密度波形和电压波形,取得了较好的实验结果。     

大气压氩气微波等离子体参数的光谱诊断

为了深入了解大气压下氩气微波等离子射流内部电子的状态,利用发射光谱法对大气压下氩气微波等离子体进行了诊断.以玻尔兹曼斜率法对等离子体中电子激发温度进行测算,以斯塔克展宽计算电子密度.研究了等离子体射流方向上不同区域电子激发温度和电子密度的分布规律及微波功率对电子激发温度和电子密度的影响.结果表明,在本实验条件下等离子体射流电子激发温度为4 000～6 000 K,电子数量密度为(2.4～2.8)×1018 cm-3,电子激发温度和电子密度的最大值均出现在距波导管底边20 mm处,并以此处为中心,分别向上下2个方向呈现不完全对称的递减分布,微波功率增加影响等离子体电子密度和电子温度的交替上升.     

大气压脉冲调制微波发卡氩等离子体射流的电离行为研究

大气压微波等离子体射流具有高密度、高活性的优点,但是难以调制出特定需求的等离子体射流形貌,从而限制了微波等离子体射流的应用范围.本文构建了脉冲微波发卡谐振放电装置,产生了大气压脉冲调制微波氩等离子体射流.实验表明,脉冲调制微波等离子体射流存在三种典型的放电形态:当脉冲频率为10 kHz时,氩等离子体射流呈现周期性变化,且在发卡的开口端形成了拱形的等离子体形貌;当脉冲频率为30 kHz时,氩等离子体射流呈现非周期性变化,等离子体形貌为月牙形;当脉冲频率为60 kHz时,氩等离子体射流呈现大尺度非周期性变化,此时形成了类椭圆形等离子体形貌.此外,微波瑞利散射实验测定了氩等离子体射流的时空电子演化过程,得出电子密度峰值为4.06×10²¹m^-3,电子数在10¹³的量级且随入射功率呈周期性变化.结合实验和仿真结果,三种放电形态的形成机制可归因于局域增强电场的共振激发、微波等离子体射流中的电离波推进、脉冲调制微波氩等离子体中不同粒子的时空分布等共同作用.     

大气压微波等离子体光谱特性

为研究气体组分及微波功率对等离子体特性的影响,测量了大气压下混合气体的微波等离子体光谱强度,分析了不同气体配比和微波功率下等离子体中激发态氧原子发射光谱的变化规律.实验结果表明:随着混入氧气量的增加,等离子体中激发态氧原子数量先增加后减小,在氩气流量为4 L/min,微波输入功率为400 W,氧气流量为40 cm3/min时,激发态氧原子数量达到最大;微波功率的增加首先导致等离子体中的激发态粒子数量增加,进而导致电离态粒子数量增加.     

微波共振探针优化

为提高微波共振探针测量气体放电等离子体参数的灵敏度,采用COMSOL软件仿真并比较近场场强与辐射的方法,优化了共振探针的几何结构以及探针与耦合线圈的最佳耦合位置。通过仿真模拟可知:具有臂长长和臂间距小的探针的品质因子相对较大;当耦合线圈与探针的摆放位置越近时,耦合效率高,但耦合线圈和探针的辐射也随之增强。提出屏蔽耦合线圈辐射的方法来获得更大的品质因子,仿真模拟和试验测量均表明上述方法具有可行性。     

大气压低温等离子体射流及其生物医学应用

 大气压低温等离子体射流是近年来学术界兴起的新型研究领域,由于其在大气压下产生,气体温度低,活性高,在众多领域尤其是生物医学方面的应用引起了人们广泛的关注。本文依据驱动电源的不同分别介绍直流电源、交流电源、射频电源、微波、直流脉冲电源驱动的大气压低温等离子体射流装置,及其各自的物理特性、杀菌效果,以及大气压低温等离子体射流在生物医学方面的应用。最后叙述了大气压低温等离子体射流应用领域的前景,以及所面临的困难和可能的解决方法。     

电子回旋共振等离子体静电探针诊断技术研究

采用Langmuir静电单探针和双探针诊断技术对微波电子回旋共振(ECR)装置产生的低温低气压氮气等离子体进行诊断.测量了等离子体密度随微波功率,轴向距离,径向距离的变化关系以及电子温度随轴向距离的变化关系.采用3种不同理论计算等离子体密度;分别采用单探针与双探针测量电子温度.结果表明,由饱和电子电流计算得到的电子密度与由受限轨道理论计算得到的电子密度相一致,约为1×1010/cm3,而由饱和离子电流计算得到的电子密度在2×1010/cm3左右;由单探针测量的轴向电子温度最高可达7 e V,而双探针的测量值最大仅为4.5 e V.越靠近离子源处,这一差异性越明显.然后引入Langmuir受限轨道理论对这些差异现象进行分析,提出电流分离的思想,将电子电流与离子电流分离,证明了受限轨道理论在ECR等离子体中的适用性.通过利用电流分离思想除去离子电流的方法得到负偏压部分的电子电流,解决了使用单探针测量电子温度时直线部分不明显的问题.     

大气压介质阻挡放电等离子体射流源研究进展

大气压介质阻挡放电等离子体射流是近年来兴起的一种新的大气压低温等离子体放电技术,是目前国际上等离子体科学与技术领域的研究热点之一.作为一种经济、便捷的等离子体产生技术,大气压介质阻挡放电等离子体射流对等离子体生物医学等新兴交叉学科的蓬勃发展起到了良好的推动作用.本文从大气压介质阻挡放电等离子体射流发生器结构设计入手,介绍了部分具有代表性的射流发生器的结构特点及设计思想,分析了不同构型射流源的优势与不足,总结了目前实际应用中大气压介质阻挡放电等离子体射流源特性提升所面临的挑战,并简要讨论了产生较大体积均匀稳定的氦和氩等离子体射流的发生器设计原则和基本特性.     

光谱法研究大气压氩气等离子体射流的气体温度

采用针-板介质阻挡放电结构的射流装置,在大气压空气环境下产生了氩气等离子体羽.通过采集外加电压、电流及发光信号发现,在电压正、负半周期各有一个电流脉冲.就电流峰值而言,正脉冲大于负脉冲.等离子体羽的发射光谱包含氩4p→4s跃迁谱线、氮分子第二正带系(C~3Π_u→B~3Π_g)、带头位于308.0 nm的OH转动谱线(A~2Σ~+→X~2Π)和777.4 nm的氧原子发射谱线.通过拟合N_2(C~3Π_u→B~3Π_g)和OH的转动光谱,可以获得等离子体羽的气体温度.研究发现,拟合N_2第二正带系得到的气体温度要高于拟合OH转动光谱得到的气体温度.分析表明,氩的亚稳态Ar(4s)能够将能量转移给基态N_2,使其跃迁到高转动能级的激发态(C~3Π_u).因此,这种传能导致具有高转动能级氮分子布居数的增加,进而导致利用其计算得到的气体温度相对较高.利用OH的转动谱带拟合计算了气体温度,并研究了气体温度随实验参数的变化.结果表明,增大峰值电压及气体流量导致气体温度升高,但增加驱动频率气体温度降低.     

脉冲电压对大气压脉冲放电等离子体射流的影响

在固定脉冲频率及占空比的情况下,研究脉冲电压对大气压脉冲放电等离子体射流长度的影响。分析脉冲放电的电流电压波形、等离子体射流的光发射强度的时空演化过程以及等离子体子弹速度的变化。结果表明:等离子体子弹随脉冲电压的增大由单子弹变为双子弹再变为单子弹;射流长度相应地先增长然后趋于稳定,射流长度由增长转变为稳定的转变电压正好处于形成双子弹的脉冲电压附近。     

外加电压参数对大气压等离子体射流形貌的影响

大气压等离子体射流可以在开放的空气环境中产生富含多种活性粒子的低温等离子体羽,在材料合成、表面改性、生物医疗、环境保护等多种领域具有广泛的应用前景. 等离子体羽的形貌与活性粒子的时空分布有关,研究其形貌对等离子体射流的应用具有重要意义.针对目前等离子体形貌还不够丰富的问题,本文利用氩气等离子体射流,通过改变外加电压参数(电压峰值、驱动频率和偏置值)产生了几种形貌的等离子体羽(弥散圆锥状、丝加晕形、念珠串状和空心锥状),从而进一步丰富了等离子体羽的形貌.通过对比放电的电压和发光信号波形,发现除丝加晕形等离子体羽外,其他3种等离子体羽在每个外加电压周期均放电1次.不同的是,弥散圆锥状和念珠串状等离子体羽的放电出现在电压负半周期,为负放电.而空心锥状等离子体羽的放电出现在外加电压正半周期,为正放电.丝加晕形等离子体羽每个电压周期存在1个负放电和1个正放电.此外,还利用高速成像设备对这几种形貌等离子体羽的时空演化进行了研究.相关结果表明,负放电对应负流光的传播过程,而正放电对应正流光的过程.视觉上不同形貌的等离子体羽是正流光、负流光及其组合时间叠加的结果.本文的结果对大气压等离子体射流中等离子体羽形貌的深入研究及流光动力学的进一步发展均具有重要价值.     

微波等离子体的朗缪尔探针测量

随着微波等离子体的应用越来越广泛,其参数的测量研究也逐渐得到人们的重视.本文使用朗缪尔探针测量了微波等离子体的单探针I-V特性,并根据探针测量原理计算出等离子体空间电位、电子温度,电子密度和离子密度等参数.     

三种波形激励的大气压等离子体射流的比较研究

本文采用了棒-环结构的氩气等离子体射流装置,在正弦波、三角波和方波三种激励下均产生了锥形的大气压等离子体羽.利用电学方法,发现三种波形激励的放电,其放电脉冲均出现在电压正半周期内,而负半周期内没有放电脉冲.并且放电脉冲个数均随着电压峰值的增加而增加.对于多脉冲放电,正弦波和三角波激励的放电脉冲强度在电压上升沿内逐渐增加,而方波激励的脉冲强度在电压的正半周期内保持不变.此外,方波激励的相邻放电脉冲的时间间隔要比正弦波和三角波的大.利用高速影像研究发现正弦波和三角波激励的等离子体羽均由击穿阶段(流光发展)和余辉阶段组成.通过分析放电过程,对以上现象进行了定性解释.     

乙醇掺氮放电大气压等离子体射流的光谱特征研究

对乙醇放电的大气压等离子体射流进行了研究.用发射光谱(OES)法观察了等离子体光谱中的C,CN,CH和C_2基团.在Ar与乙醇混合物等离子体的光谱中,分别在473.7,516.4和563.5nm处出现了3个明显的C_2分子谱线;在388.3nm出现了CN自由基分子谱线.掺入氮气后在422nm处出现了新的CN谱线,C_2谱线则只出现在516.4nm处,473.7和563.5nm处的C_2谱线明显消失.当乙醇含量不变时,随着氮气流量的增加,可以显著地提高CN基团的谱线强度,同时有效地抑制C_2基团的谱线强度.     

光化线强度法研究大气压等离子体射流的氧原子浓度

等离子体射流产生的众多活性粒子中,氧原子是化学活性非常强的氧化剂,也是生成其他含氧活性粒子的基础,因此确定氧原子浓度及其时空分布对提高等离子体射流的应用效率具有重要意义.针对于此,本工作利用单电极等离子体射流产生了实心结构的等离子体羽,利用高分辨光谱仪采集了放电的发射光谱.结果表明,等离子体羽中确实含有氧原子等活性粒子.采用光化线强度法通过比较氧原子谱线(777.4 nm)和氩原子谱线(750.4 nm)的强度比研究了等离子体中氧原子浓度.结果表明:等离子体羽中的氧原子浓度随着距离喷口距离的增加先减小后增大;固定其他实验参数的情况下,氧原子浓度随着外加电压峰值和工作气体流量的增加而增大;当工作气体中掺入空气后,等离子体羽中氧原子浓度随着空气体积分数的增加先增大后减小.结合放电机制,对以上实验现象进行了定性分析,所得结果对于大气压等离子体射流的应用具有重要意义.     

Ar/SiCl_4大气压等离子体射流沉积SiO_2薄膜

以氩气为携带气体,SiCl4为源材料,使用双频(50kHz/33 MHz)组合功率源大气压等离子体射流(APPJ)装置,以空气中的氧气作为氧化物质沉积SiO2薄膜.用发射光谱检测等离子体组成物种,并研究了随源材料(SiCl4)含量的不同,体系内各主要物种的变化情况并以此得到较优的沉积条件.分别用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)以及傅里叶红外光谱(FT-IR)对所沉积薄膜的形貌、化学成分和化学结构进行检测.XPS表明薄膜主要组成元素为Si、O以及少量的Cl.FT-IR显示薄膜化学结构主要为Si-O-Si和Si-OH键.     

双频大气压冷等离子体射流制备TiO_2的表面形貌研究

利用N_2携带先驱体钛酸异丙酯,通过双频驱动的Ar/O_2大气压冷等离子体制备了TiO_2薄膜,探究了不同放电参数对TiO_2表面形貌的影响.研究结果表明,不同的放电参数可以制备出纳米纤维状、球状和塌陷的球状不同形貌的TiO_2.制备的TiO_2包含锐钛矿相和金红石相.同时利用光谱仪和射频分析仪对离子体的光学特性和电学特性进行了检测.     

微波电子回旋共振等离子体放电特性研究

为了深刻理解微波电子回旋共振(ECR)等离子体的物理机制、瞬态过程以及空间分布特性,首先利用光栅光谱仪对ECR氮等离子体发射光谱进行了研究,然后利用朗缪尔双探针测量了装置反应室内等离子体密度的空间分布,并分析了放电气压对等离子体空间分布的影响,结果表明: ECR氮等离子体中主要发生的是碰撞激发、碰撞电离,碰撞离解等微观过程,且等离子体的主要成分是激发态的 ;受磁场梯度影响的反应室上游区,等离子体分布不均匀,受等离子体密度梯度影响的下游区,等离子体则具有良好的均匀性;对于特定的微波功率(PW=400W),放电气压存在一个最佳值(p=0.07Pa).     

大气压低功率微波等离子体源的研究进展及其应用展望

相比于低气压微波等离子体,大气压下微波放电具有密度大、活性高及产生设备简单等优异特征.但由于大气压下微波放电常呈现为流注形式,激发此环境下的微波放电需要很高的入射功率.因此,大气压微波放电的实现代价较高,实际应用较困难.针对大气压低功率微波放电难于实现的科学技术难题,本文重点陈述了大气压低功率微波等离子体源的研究现状及其应用展望.首先综述了国际上4类典型大气压低功率微波等离子体源的研究开发现状,接着介绍了该领域数值计算方面的研究进展,然后探讨了大气压低功率微波放电的物理机制,最后给出几个工程应用实例,并对潜在的应用前景进行了展望.