納秒脈沖空氣均勻介質(zhì)阻擋放電發(fā)射光譜診斷.pdf

1、高壓納秒脈沖因具有陡峭的上升沿和較短的脈沖持續(xù)時間，能有效地抑制放電由均勻放電向火花或者電弧放電轉(zhuǎn)變，可驅(qū)動空氣、氮?dú)饧盎旌蠚怏w介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生大面積彌散放電等離子體，在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、材料改性、能源化工和環(huán)境治理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本論文研究了多線-板式、板-板式和線-筒式三種電極結(jié)構(gòu)下納秒脈沖空氣彌散/均勻放電等離子體的發(fā)射光譜特性，對放電等離子體中活性物種和振動溫度、轉(zhuǎn)動溫度、電子激發(fā)溫度等重要參數(shù)進(jìn)行了診斷研究。作為代

2、表性應(yīng)用，本論文還利用單極性納秒脈沖、雙極性納秒脈沖和正弦交流電源驅(qū)動空氣介質(zhì)阻擋放電對氣態(tài)甲醛開展了脫除研究，并對上述三種電源驅(qū)動線-筒式電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體處理氣態(tài)甲醛時的脫除效率、功率消耗等進(jìn)行了對比研究。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.在空氣和氮?dú)庵袑?shí)現(xiàn)了多線-板式電極結(jié)構(gòu)納秒脈沖彌散介質(zhì)阻擋放電等離子體，研究了在不同脈沖峰值電壓、脈沖重復(fù)頻率、放電間隙距離下放電的發(fā)光圖像、發(fā)射光譜，以及等離子體轉(zhuǎn)動溫度、振動

3、溫度和電子激發(fā)溫度等特性。研究結(jié)果表明，空氣和氮?dú)庵蟹烹娋尸F(xiàn)彌散放電狀態(tài)，發(fā)射光譜主要是N2(C3Πu→B3Πg)。但是，空氣放電中N2(C3Πu→B3Πg)的發(fā)射光譜強(qiáng)度僅為氮?dú)庵械?/5左右，在空氣中NO(A2∑→X2Π)和OH(A2∑→X2Π)發(fā)射光譜強(qiáng)度較弱，空氣放電等離子體的轉(zhuǎn)動溫度、振動溫度和電子激發(fā)溫度分別約為320±5K、2175±50K、2145±50K，氮?dú)獾姆謩e約為400±5K、1860±50K、1690±50K

4、。隨著脈沖峰值電壓增加和放電間隙減小，空氣和氮?dú)夥烹姷入x子體中NO(A2∑→X2Π)、OH(A2∑→X2Π，0-0)、N2(C3Πu→B3Πg)和N2+(B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm)的發(fā)射光譜強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動溫度呈明顯上升趨勢，振動溫度和電子激發(fā)溫度呈下降趨勢但不明顯。而脈沖重復(fù)頻率增加對空氣和氮?dú)庵蟹烹姷入x子體的發(fā)射光譜強(qiáng)度和上述三種溫度影響不大。此外，還研究了氧氣和氬氣的濃度對氮?dú)饧{秒脈沖彌散介質(zhì)阻擋放電等離子體中NO

5、(A2∑→X2Π)、OH(A2∑→X2Π，0-0)、N2(C3Πu→B3Πg)和N2+(B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm)發(fā)射光譜強(qiáng)度和等離子體溫度特性的影響。結(jié)果表明，添加氧氣濃度從0％-5％的過程中，等離子體的發(fā)射光譜強(qiáng)度急劇下降，隨著氧氣濃度的進(jìn)一步增加，等離子體發(fā)射強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢，同時隨著氧氣濃度的增加，等離子體轉(zhuǎn)動溫度不斷降低，振動溫度和電子激發(fā)溫度卻不斷升高;而隨著氬氣濃度的增加，等離子體的發(fā)射光譜強(qiáng)度增大

6、而轉(zhuǎn)動溫度明顯上升趨勢，振動溫度和電子激發(fā)溫度變化趨勢不明顯。
　　2.實(shí)驗(yàn)研究了介質(zhì)板板材料（陶瓷，石英，環(huán)氧樹脂，聚四氟）對大氣壓板-板式電極納秒脈沖空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體均勻性的影響，通過放電發(fā)光圖像、電壓電流波形和氮分子離子第一負(fù)帶N2+(B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm)發(fā)射光譜考察了放電的均勻性和放電發(fā)生的擊穿情況。當(dāng)使用1mm的陶瓷板時，在30kV脈沖峰值電壓、150Hz脈沖重復(fù)頻率和3mm放電間隙下

7、呈現(xiàn)均勻放電狀態(tài)，N2+(B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm)發(fā)射光譜強(qiáng)度較弱，轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度分別是350±5K和3045K，此時是處于一種均勻放電的非平衡態(tài)等離子體形態(tài)。在選定的四種介質(zhì)板材料中，當(dāng)使用相對介電常數(shù)較大的陶瓷介質(zhì)材料時，發(fā)生放電的擊穿電壓降低，放電的氣體間隙增大;當(dāng)增大陶瓷介質(zhì)板厚度時，等離子體發(fā)射光譜強(qiáng)度降低，放電擊穿電壓增大，等離子體的均勻較差。利用發(fā)射光譜強(qiáng)度N2+/N2比值計(jì)算出約化電場E/N，

8、并研究了放電均勻性與N2+/N2的比值關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，隨著放電峰值電壓增大、放電間隙距離或者介質(zhì)板板厚度減小，N2+/N2比值降低，約化電場E/N減小，等離子體均勻性較好。
　　3.對比研究了大氣壓空氣中線-筒電極結(jié)構(gòu)納秒脈沖和正弦交流介質(zhì)阻擋放電等離子體的發(fā)光圖像、電壓電流波形、功率消耗、發(fā)射光譜以及氣體溫度等特性。研究發(fā)現(xiàn):正弦交流空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體呈現(xiàn)明顯的絲狀放電模式，而納秒脈沖空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體則具有很好的均

9、勻性。在相同放電周期下，納秒脈沖空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體中N2(C3Πu→B3Πg)和N2(B3Πg→A3∑u+)的發(fā)射光譜強(qiáng)度是正弦交流空氣介質(zhì)阻擋放電的6～10倍，而OH(A2∑→X2Π，0-0)、N2+(B2∑u+→X2∑g+，0-0，391.4nm)和O(3p-3s)約為正弦交流介質(zhì)阻擋放電等離子體的2.5倍，而納秒脈沖放電的功率消耗僅為正弦交流介質(zhì)阻擋放電等離子體的1/13。納秒脈沖放電的氣體溫度約為305±5K，非常接近室溫

10、，且隨放電持續(xù)時間的增加基本保持不變。而正弦交流介質(zhì)阻擋放電等離子體的氣體溫度高出納秒脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體200K左右，且隨放電持續(xù)時間的增加而不斷升高。采用雙極性、單極性納秒脈沖和正弦交流空氣介質(zhì)阻擋放電等離子體對初始濃度為154ppm的氣態(tài)甲醛脫除效率分別為67％，63.8％和73.8％，而功率消耗分別為0.325W，0.3W和8.9W。當(dāng)放電區(qū)域填充Al2O3小球時，三種情況下甲醛的脫除效率均提高10～20％。雖然氣體在反應(yīng)器