1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1 概述

等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，通常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。

介质阻挡放电(简称DBD)又叫无声放电，基于其放电机理，设计出等离子体射流实验装置，其放电机理如下图所示。由于射流是一种典型的非平衡交流电气放电，可以实现大气压条件下的放电，因此射流等离子体有着广泛的应用前景。它是由电源驱动两极板放电并在放电间隙插入阻挡介质的气体放电形式，在外部电场的作用下，电子崩发展的速度很快并迅速向阳极移动，空间电荷产生的电场大大畸变了间隙上的外加电场的分布，畸变的电场进一步促进电子崩的发展，在放电空间产生大量的光电离和二次电子崩，二次电子崩和主电子崩汇合，在放电空间产生流注放电区。在流注放电阶段，放电空间充满随即分布的暂态流注，流注区域迅速向阴极发展，最终形成贯穿放电空间的高电导率的丝状放电通道。由于阻挡介质的存在，限制了放电电流的自由增长、阻止极间火花或弧光的形成，从而在间隙中形成稳定的放电。

图1 介质阻挡放电原理示意图

当前对等离子体射流的研究主要利用电压和电流探头测量放点电压电流波形，利用数码相机进行发光图像拍摄技术获得发光强度空间分布以及放电的演变规律，为电气诊断方法。该方法无法得到放电空间主要活性粒子的种类和含量，而在生物医学、杀毒消菌等应用领域，放电空间的粒子信息及变化规律又有着重要作用。因此，研究放电空间的粒子种类及含量的光谱法就显得尤为重要。

光谱分析是依据某一种物质成分对电磁波的吸收特性而进行的定性、定量的分析技术。由于光谱分析技术具有分析速度快、精度高、结果稳定、无破坏等优点，在化工、农业、医学等领域得到越来越广泛的应用。基于光谱分析原理的遥感技术，若为现代信息技术的重要支柱，不仅继续在国防、国土资源调查、农业、气象等领域得到广泛应用，而且应用领域在不断扩大，与人类日常生活的关系也越来越密切。

2 射流特性

大气压等离子体射流的一种最常见的形式就是介质阻挡放电(简称DBD)，又叫无声放电，是一种典型的非平衡交流电气放电。根据介质阻挡放电的原理可将它分成激励电源和放电电极两部分。激励DBD的电源形式大体可分成四类：直流(DC)电源，包括恒稳态连续电源和脉冲电源；交流(AC)电源，及频率小于等于100KHZ；射频（RF）电源，频率在100KHZ至100MHZ之间；微波(MW)电源，放电电极是平板结构，也可以是针板或同轴结构。

当等离子体达到热力学平衡或局域热力学平衡或局部热力学平衡时，处于同种原子或离子的两个能级E_n和E_m上的粒子数满足玻尔兹曼分布，有如下关系：

(1)

由高能级E_n向低能级E_m跃迁的谱线强度可以表示为

..........(2)

其中nn是处于上能级的粒子数，Anm是由上能级向下能级跃迁的跃迁概率，vnm是跃迁频率，h是普朗克常数，l是测量方向上等离子弧的厚度．

由(1)和(2)式整理并取对数，可以得到

ln(n_n/g_n)=-E_n/(kT_e) D .........(3)

以ln(n_n/g_n)为纵坐标，En为横坐标画出玻尔兹曼曲线，然后对曲线进行线性拟合，拟合直线的斜率就是-1/kTe，由此可求得激发温度Te．

由于DBD在大气压下能产生稳定的大面积低温等离子体，不仅设备投资少，而且可实现连续化生产，属于干式工艺，可以节省资源，又无公害，很符合节能和环保的要求。目前在臭氧生成、材料表面改性、环境去污、杀菌消毒等多个领域都有了广泛的应用。

图1 三种介质阻挡放电方法示意图

3 光谱法诊断等离子体

图3 实验装置原理图

目前国内外研究者研究所用的电极结构主要是平行平板电极此种电极结构简单易 于制作且放电间隙可以调节但此种电极产生的等离子体不能方便地对不规则表面进行全 面的处理而使用等离子体射流装置就可以克服此种弊端，因此对等离子体射流装置的结构 电学以及光学特性进行深入的研究具有十分重要的意义。

下边设计并制作了两种介质阻挡等离子体射流装置一种内电极裸露一种内电极覆盖有 石英玻璃在中频正弦电源通入气流时测量两种等离子体射流装置的电学和光学特性并且 分别对放电的图形和光谱图进行分析计算得到了放电功率和电子激发温度为以后将等离 子体射流装置应用到实际应用中做了前期实验研究。

实验装置原理图如图所示。基于的同轴圆柱电极结构设计并制作了两种等离子体射 流装置阻挡介质为石英玻璃管上端封口内直径为管壁厚为石英玻璃管接环状铜皮作为地电极气从石英玻璃管侧面通入其流量通过流量计进行可变调节并通过风速计测量流速在内调节内电极为直径的钨丝固定在阻挡介质的上端。

等离子体射流装置的电气特性测电量电压图法是一种有效测量放电功率的方法将一无损耗标准电容串入装置的接地端利用电容的积分特性将包含大量微放电电流脉冲的电流波形转换成电容器上平滑的电压波形将该电容器上的电压信号与激励电压信号同时送到示波器的端子上将得到如图所示平行四边形。

图4 典型的Lissajous图

图中AB和CD阶段是放电过程，BC和DA阶段是放电熄灭过程。

图5 不同电极下等离子体射流装置的图像

等离子体射流装置的光学特性测量，保持外施电源频率为36KHZ，电压为6KV不变,气流速为 11.76m/s，时记 录了两种等离子体射流装置的图像见图5

由图可见，两种电极所产生的等离子体均形成了射流状，所产生的等离子体在中轴线 处较为明亮。通过对比图(a)和(b)可看出，与内电极裸露相比,内电极覆盖石英玻璃的等离子体射流装置产生的等离子体焰较为暗淡。实验中还发现，随着气流流速的增加，两种电极产生的等离子体焰也越来越趋于饱满。还利用Acton的2300i和Princeton Instruments的ICCD组成的光谱系统，测量了在不同流速下，两种电极的等离子体射流装置的发射光谱。结果发现在不同流速下，同种电极发射光的特征谱线位置没有明显的变化，而特征谱线对应的光强发生了变化。

图6 不同电极下等离子体射流装置的光谱图

图所示为保持外施电源频率为36KHZ、电压为6KV不变、Ar气流速为11.76m/s时，两种电极的发射光谱图在Ar介质阻放电中,气体击穿形成放电,放电产生大量的电子和离子。电子在电场的作用下加速运动形成高能电子，高能电子与基态 Ar原子碰撞。部分能量大于13eV的电子与Ar原子碰撞使得基态 Ar原子获得能量跃迁到激发态，激发态的Ar原子或更高的激发态的 Ar原子跃迁回到亚稳态或共振能级释放出光能，这一过程可由下列方程式表示：

Ar e*→Ar* e...................... ..........................(4)

Ar*→Ar hv....................... ...........................(5)

Ar**→Ar* hv..................... ...........................(6)

当前常用于等离子体诊断的电学和光学的方法，只能诊断等离子体中的宏观物理参数和拍摄等离子体的发光图像，而对放电过程中的微放电通道中的微观参量以及其变化知之甚少。通过光谱仪可得到光谱信息主要的三种：谱线的波长，据此可确定等离子体的激发物种；谱线的强度及强度变化，可以定性分析等离子体的电子温度等；谱线的宽度，可以利用谱线的宽度估算等离子体的电子密度。结合这些，通过分析不同气体成分和外加电压幅值来分析等离子体射流的放电规律及放电特性。

表1 电磁波根据波长和能量分成的区段

光谱分析主要分为光谱定性分析与光谱定量分析。光谱定性分析，因为每一种元素的原子都有它自己的特征光谱，根据原子光谱的元素特征谱线就可以确定试样中是否存在被检元素。通常将元素特性光谱中强度较大的谱线称为元素的灵敏线。只要在试样光谱中检出了某元素的灵敏线，就可以确证试样中存在该元素，或者该元素的含量在检测灵敏度以下。

光谱定性分析常采用摄谱法，通过比较试验光谱与纯物质光谱或铁光谱来确定元素的存在。

图7 元素标准光谱图

常用的光谱定量分析主要有内标法、标准曲线法和标准试样法，其中最常用的是内标法。进行光谱定量分析时，要根据被测试样光谱中欲测元素的元素的谱线强度来确定元素浓度。在条件一定时，谱线强度I 与待测元素含量c关系为：

I=a*c ................................................................(7)

a为常数(与蒸发、激发过程等有关)，考虑到发射光谱中存在着自吸现象，需要引入自吸常数 b ，则：

I=a*cb .............................. .............(8)

Lg I=b lg c lg a ..................... .............................(9)

发射光谱分析的基本关系式，称为塞伯-罗马金公式(经验式)。自吸常数b随浓度c增加而减小，当浓度很小，自吸消失时，b=1。

4 国内外研究现状

近年来，光谱法诊断大气压等离子体射流受到国内外各研究学者的广泛关注。国内外研究学者利用光谱法研究了电源类型、电极结构、气体成分等因素对光谱特性的影响，并取得了一些可喜的成果。

对于光谱法我国很早就有研究。早在1963年黄本立和张展霞就分别著文向国内同行介绍了原子吸收光谱法。1965年吴廷照等组装成功了实验室型原子吸收光谱仪器。1970马诒载等将石墨原子化器及其控制电源等研究成果应用于WFD－Y3型原子吸收分光光度计商品仪器上，获得了1978年全国科技大会奖。这些早期的研究工作对我国原子吸收光谱分析的发展起了先导作用。30年来，我国在原子吸收光谱仪器的设计、生产、基础理论研究、分析技术以及应用领域开拓等方面，都取得了令世人瞩目的进展。东华大学理学院的李驰等人，通过记录不同放电电压的氩气发射光谱，并比较了空气和氩气常压介质阻挡放电等离子体发射光谱，分析发现氩气发射光谱中的谱线都是氩原子的发射光谱，从而得到在本试验中用到的改进的常压射流等离子体装置产生的仅有氩气等离子体，而避免了一般常压放电所产生的部分空气成分电离情况。这与光谱分析是吻合的。河北大学物理科学与技术学院的刘为远等人在不同的介质阻挡放电中的气体温度的研究中了解到气体温度随电压的增加而增加，而氩气的含量对气体的温度影响不大。当放电气体压强增大时，气体的击穿电压升高。

不仅在国内，国外也有着很深的研究。比较有代表性的是美国德州仪器公司的Ronald E.stafford等人提出使用DMA(Digital Micro-mirror Array)作为光谱合成元件的成像光谱仪，降低光谱仪器的成本，提高了检测速度。但是采用三层结构，加工工艺复杂，导致成平率低，同时受到国外的专利保护及技术垄断。同时，美国的polychromix公司，Honeywell研究实验室、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院公司联合科研组的Stephen Senturia教授等人推出了基于衍射光栅光束原理的可编程数字变换光谱仪。可测波长范围从0.9um到2.5um，性能可靠，结构紧凑，内部没有可移动部件，消除了部件移动可能带来的误差。目前已经成功应用到了乳品生产线上进行实时在线监控。但是，其使用的三层结构的光栅光阀作为光通道开关，工艺要求高。国内很难加工生产，价格昂贵。同时受到国外专利保护以及技术垄断。Advsnced Materials Science 等人在开发研究超低温等离子体放电和诊断中发现控制位等离子体的温度是由可能性的。Abhijit Majumdar 等人在发展等离子体介质阻挡放电的质谱法处理设备和薄膜沉积的研究的过程中发现这项研究可以帮助我们估计和演示放电的平均电子密度和等离子体区域的有效电力。如图8所示。

图8 不同气体种类的发射光谱

5 参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

当前对等离子体射流的研究主要利用电压和电流探头测量放电电压与电流的波形，利用数码相机进行发光图像拍摄技术获得发光强度空间分布以及放电的演变规律，为电气诊断方法。但该方法无法得到放电空间的主要活性粒子的种类和含量，而在生物医学、消毒杀菌等应用领域，放电空间的粒子信息以及变化规律又有着重要的作用。因此，研究放电空间的粒子种类以及含量显得极为重要。

本课题就是要在熟悉等离子体射流的基本原理和应用方面的基础上，研究等离子体射流的放电光谱特性。具体的研究方法分一下几个方面：