高气压非平衡等离子体化学及应用基础研究

文章概述了气体放电、非平衡等离子体化学研究现状与发展趋势 .提出了高气压非平衡等离子体新概念 ,应用特种新工艺实施高气压强电场 (>40 0Td)放电获得高能 (>10eV)电子的方法 ,激励气体分子分解、电离成离子、原子、激发态原子 (及分子 )和自由基等 ,按预定模型合成新物质、新分子 ,使常规难以进行的化学反应得以进行或加速进行 .高气压非平衡等离子体化学具有极其广阔的应用前景 .

高气压非平衡等离子体源的小型化研究

大气压非平衡等离子体源输出的等离子体浓度是电离电场中能耗率、气体粒子动量的的函数.实验表明,等离子体源中的能耗率、气体粒子动量增加时,将大幅度提高其等离子体浓度.当外加激励电场能耗率为2.18W·h/m3、气体粒子平均动量为109×10?22g·m/s时,一个体积仅为2.5cm3的等离子体源处理气量为12m3/h,其输出等离子体浓度达到1010cm?3以上,这将为化学工业、环保工程及军事应用提供小型、低能耗的高浓度等离子体源.

垂直入射电磁波在大气压非平衡等离子体层中的传播特性

用数值模拟的方法对大气压非平衡等离子体薄层中,不同的电子密度分布对微波反射、吸收和透射的影响进行了研究。所采用的理论分析方法是分层模型和镶嵌不变原理。计算中考虑了微波在子层间的多次反射和吸收。数值结果表明,对于电磁波的吸收来说,等离子体中具有二次分布的电子密度,其效果要高于线性分布10%左右;而对于反射来说,线性分布效率更高。功率反射系数随波长的增大而增大,功率吸收系数A也不是单调的,当电子密度不变时,A存在一个峰值,随着电磁波波长的增加而增加,达到最大值后,缓慢降低。

大气压非平衡等离子体射流

大气压非平衡等离子体射流(APNP-Js)的显著优点是可以在开放空间内而非狭窄放电间隙内(如介质阻挡放电)产生非平衡等离子体,APNP-Js已成为低温等离子体应用领域的1项新型关键技术。为此,首先从驱动电源的角度出发,分别介绍了直流、交流、射频、微波、脉冲和双电源驱动的几种典型APNP-Js。其次比较了不同电源驱动的APNP-Js特性,发现在消耗功率相同的情况下,脉冲驱动模式下的APNP-Js长度更长,APNP-Js推进速度更快,活性粒子数密度更高,而气体温度则保持在常温。再次进一步分析了电源参数对APNP-Js的影响,1随着频率从1 Hz上升至射频范围,APNP-Js长度总体变短,APNP-Js推进形状由"等离子体子弹"转变为连续柱状;2随着脉冲上升沿从几μs降低至50 ns,不仅APNP-Js推进速度加快,而且APNP-Js长度增加,电子温度更高,活性更强;3通过比较正负极性电压驱动的APNP-Js特性,发现负极性APNP-Js长度更短,APNP-Js推进速度更慢,射流携带电流更小,但等离子体通道中电场强度更高。最后讨论了驱动电源特性与APNP-Js参数之间的关系,并对APNP-Js面临的一些关键问题和发展方向进行了展望,如利用最少的电源功率来驱动APNP-Js以获得最高的活性粒子数密度、电源输出能量耦合进等离子体后如何分配优化等。

大气压非平衡等离子体中非平衡度的探讨

讨论了大气压非平衡等离子体中的非平衡度及它和各种参数的关系，并针对几类重要的大气压非平衡等离子体的产生技术，分析了每种产生技术的特点及和非平衡度的关系。

磁驱动滑动弧放电大气压非平衡等离子体

介绍了磁驱动滑动弧放电大气压非平衡等离子体产生技术的一些基本特性 ,着重叙述了磁驱动滑动弧放电大气压非平衡等离子体的产生装置 (GDM)、基本原理、主要特性及应用中的一些问题。

大气压非平衡等离子体诊断:激光诱导荧光

大气压非平衡等离子体由于在生物医学、环境治理、材料加工等领域具有广泛应用价值,近来受到了极大的关注。而等离子体中各种活性粒子在这些应用中往往扮演着重要的角色,因此对各种活性粒子浓度的诊断是推进其应用的关键。文中针对大气压非平衡等离子体诊断中的一种重要的诊断方法,即激光诱导荧光方法进行了较为详细的评述。首先对激光诱导荧光的基本原理、实验装置进行了系统的介绍。并给出了单光子和双光子激发的绝对密度标定方法和实验案例。针对常见的OH、NO、O、N等活性粒子,分析讨论了不同等离子体源条件下的分布特性。最后根据激光诱导荧光技术的特点和研究现状,分析讨论了未来的研究方向。

大气压非平衡等离子体诊断:激光散射

大气压非平衡等离子体在表面改性和杀菌消毒等领域等具有广泛的应用。为了增强对其物理机制的理解,电子数密度和温度、气体动力学温度和分子转动温度等关键参数的测量必不可少。激光散射是对这些参数进行诊断的常用技术,该文将针对大气压非平衡等离子体诊断中的激光散射诊断进行了较为详细的评述。首先对瑞利散射、汤姆逊散射和拉曼散射这3种类型的激光散射进行了基本的介绍,推导了相应的计算式。随之总结归类了目前已报道过的3种的散射诊断策略,分别为:三光栅光谱仪、布拉格光栅滤波器和物理掩膜结合单光谱仪结构,并对这3种诊断策略的优缺点进行了归纳。分析讨论了近些年散射诊断应用在大气压非平衡等离子体中的研究成果,讨论了激光散射的研究方向。基于此凝练了激光散射在大气压非平衡等离子体中实现成功诊断的核心技术问题,这对拓展激光散射在等离子体诊断中的应用范围具有一定的指导意义。

大气压非平衡等离子体源参数对输出等离子体浓度的影响及其机理分析

为研究各个参数对大气压非平衡等离子体源的影响，给进一步探讨其机制提供依据，在保持其他参数不变的前提下，变化大气压非平衡等离子体源的某一个参数，用DLY-3型大气离子数密度测量仪测量其输出等离子体中离子的数密度。结果表明：在击穿限度内输出的离子数密度随外加电压升高而升高；在空气体积流量不影响放电空间分布的前提下，输出的离子数密度随体积流量增加而升高：在4．7～10kHz范围内输出的离子数密度随交流电源频率增加而升高；在2种实验放电间隙中，小间隙（0．64mm）比大间隙（1．00mm）的输出离子数密度高。在各个参数可调控的条件下所做的等离子体浓度测量可定量地描述等离子体系统的状态及其相应变化，通过变换各个参数可以使大气压非平衡等离子体源输出的等离子体浓度在相当大的范围内变化，并存在极大值。

高Z等离子体辐射的非平衡特性

对激光直接加热和X光辐射加热Au等离子体的非平衡特性进行了实验研究,探讨了它们的物理机制。为此,提出了一种新型的锥盘靶结构,并在神光 II装置上进行了实验,结果表明:锥盘靶很好地避免了激光加热区的等离子体喷射和散射光对X光加热区的影响,改善了辐射加热场的干净性。对锥盘靶激光和辐射加热进行了模拟计算,所得结果与实验的结果符合较好。。

大气压非平衡等离子体沉积氧化硅薄膜

本文搭建了一套大气压等离子体薄膜沉积系统,其装置采用喷枪方式,结合运动机构控制喷枪按特定轨迹移动镀膜。四乙氧基硅烷(TEOS)作为硅的先驱体,氮气为先驱体载气和等离子体放电气体,基底温度50℃～300℃,进行了大气压等离子体化学气相沉积氧化硅薄膜的研究。运用红外光谱(FTIR)、光学椭偏仪,扫描电镜(SEM)和纳米压痕仪对沉积的薄膜进行了表征。研究表明,薄膜中富含Si—O—Si键且有少量S—OH键;较高基底温度有利于在硅基底上得到一层平整致密的薄膜;基底温度300℃时薄膜硬度达到4.8GPa,略低于采用PECVD方法沉积的氧化硅薄膜。

大气压非平衡等离子体甲烷干法重整零维数值模拟

大气压非平衡等离子体由于其独特的非平衡特性,可为甲烷和二氧化碳稳定温室气体分子活化和重整提供非热平衡和活化环境.本文采用了零维等离子体化学反应动力学模型,考虑了详细的CH_(4)/CO_(2)等离子体化学反应集,重点研究了反应气体CH_(4)/CO_(2)摩尔分数(5%—95%)对大气压非平衡等离子体甲烷干法重整制合成气和重要含氧化合物的影响.首先,给出了进料气体不同体积比时电子密度和温度随时间的演化规律,结果表明初始甲烷摩尔分数的提高有利于获得较高的电子密度和电子温度.随后,讨论了主要自由基和离子数密度在不同的甲烷摩尔分数下随着时间的变化规律,并给出了反应气体的转化率、合成气体和重要含氧化合物的选择性.此外,还明确了合成气和含氧化合物主要生成和损耗的化学反应路径,发现甲基和羟基是合成含氧化合物的关键中间体.最后,归纳总结给出了主要等离子体粒子之间的总体等离子体化学反应流程图.

磁驱动滑移电弧非平衡等离子体的研究

提出了一种磁驱动滑移电弧放电产生大气压非平衡等离子体的方法,给出了这种装置的基本结构,主要性能及基本原理。在弧电流0.6A左右得到了约100m/s的电弧移动速度和约80V/mm的电场强度,产生了非平衡度较高的大气压非平衡等离子体。

滑动弧非平衡等离子体研究

研究了滑动弧放电过程中电参数的变化,并对滑动弧等离子体中的非平衡度和各个参数之间的关系进行了讨论。应用双通道电弧模型,对电弧在气流作用下运动规律进行了数值模拟,模拟所得的结果有助于分析滑动弧非平衡等离子体的产生机理。

外加磁场对螺旋等离子体的影响

在低气压、氮气环境及无外加磁场的情况下发现了一种新型等离子体,因其具有规则的螺旋传播模式,被称为螺旋等离子体.尽管已经对该螺旋等离子体的关键特性进行了大量研究,螺旋等离子体的形成机理仍未理清,这影响其在材料、纳米技术上的应用.通过在不同手性的螺旋等离子体外施加磁场,研究外加磁场对螺旋等离子体的调控行为,发现外加磁场将会使得螺旋等离子体发生收缩、拉伸等行为.并且,外加磁场还会影响螺旋等离子体的手性和螺旋形态的清晰度.通过电磁波理论计算螺旋等离子体的径向电场,理清外加磁场影响螺旋等离子体行为的机理,发现洛伦兹力的磁场力分量是外加磁场调控螺旋等离子体行为的原因.本文为理解螺旋等离子体的运动行为打下理论基础,有利于将来在材料、纳米技术等领域的实际应用.

强电场电离等离子体输运特性研究

运用连续方程和输运特性方程,对经济、军事和环境等领域急待解决的强电场电离等离子体输运问题进行了离子浓度分布的实验研究。高气压条件下强电场电离产生的离子若仅受外加电场和“雪崩”头部的本征电场作用,只会存在于放电通道中。对离子施加垂直电场方向的接近电场对离子的作用力,就能把放电通道中的离子从电场中输送出去。实验表明,有效体积仅1 cm3的等离子体源,其输运离子率可达到1012/(cm3.s)。

等离子体射流及其医学应用

由于大气压非平衡等离子体射流装置能够在开放空间、而不是如传统放电仅在放电间隙内产生等离子体,这个显著优点对于许多应用,特别是近几年来兴起的等离子体医学方面的应用是至关重要的。为此,首先对大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)的研究现状进行阐述,结合作者课题组所作的研究,以及国内外其他研究者的成果,分别介绍几种以惰性气体、氮气和空气作为工作气体的典型的N-APPJ。此外,由于等离子体医学的发展与N-APPJ的发展是紧密联系的,还简要介绍了等离子体医学的发展历史,并对等离子体医学的两个代表性的研究方向,即N-APPJ在口腔医学和诱导癌细胞凋亡这两个研究方向的最新研究成果作了概述。最后对等离子体射流和等离子体医学所面临的一些问题,及未来的研究方向进行了展望。

大面积表面放电等离子体的产生及电特性研究

为了获得大面积表面放电等离子体,设计了大气压多电极表面放电等离子体激励器,并对给定电源频率下等离子体激励器的放电特性(包括气体放电的利萨如图形、稳定放电时的功率及功率面密度等参数)进行了实验研究.实验测量结果表明,采用多电极结构表面放电等离子体激励器可以在较低的电源输入功率面密度下获得大面积的气体放电等离子体.

利用等离子体技术延长水果保质期

研究人员利用大气压非平衡等离子体这一新途径来延长水果和其他易腐食品的贮藏寿命.