基于光譜儀與iCMOS的等離子體特性診斷方法探討

技術(shù)介紹

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)宏觀體系，組分復(fù)雜的粒子在空間中自由移動碰撞，發(fā)出的電磁輻射譜覆蓋了從紅外到真空紫外波段的廣闊范圍[1]。這一特性反映了等離子體內(nèi)部復(fù)雜的原子和分子過程，也為探究等離子體特性提供了理論依據(jù)。

利用等離子體光譜診斷技術(shù)可以觀察到激發(fā)態(tài)物種的光譜強(qiáng)度、活性物種的相對分布、震動溫度以及轉(zhuǎn)動溫度等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)反映了等離子體內(nèi)部物理和化學(xué)過程的動態(tài)平衡，在等離子體電子輸運(yùn)過程及化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)揮著重要作用[2]，也為優(yōu)化等離子體技術(shù)、提高應(yīng)用效果提供了重要理論指導(dǎo)。

產(chǎn)品應(yīng)用

大氣壓高壓納秒脈沖DBD實(shí)驗(yàn)裝置由納秒高壓脈沖電源、等離子體反應(yīng)器及電極、發(fā)射光譜測量系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)構(gòu)成，示意圖如圖1所示。

圖1：高壓納秒脈沖DBD裝置示意圖

圖2：DBD氬氣放電發(fā)射光譜圖

圖3：DBD氬氣放電IsCMOS動畫

設(shè)置高壓脈沖電源參數(shù)為3kV，2kHz，500ns，Ar氣流速3L/min，DBD放電發(fā)射光譜如圖2所示，由N2(C3Πu-B3Σg)和大量的Ar原子線構(gòu)成。其中N和O的譜線是由空氣擴(kuò)散到工作氣體中造成的。N2(C3Πu-B3Σg)由亞穩(wěn)態(tài)Ar的彭寧效應(yīng)產(chǎn)生[3]。圖3中的放電動畫展示了等離子體在強(qiáng)電場和氣流作用下由高壓電極沿介質(zhì)表面向地電極的發(fā)展過程。

圖4：DBD空氣放電電流電壓圖

圖5：DBD空氣放電發(fā)射光譜圖

圖6：DBD空氣放電IsCMOS圖像

設(shè)置高壓脈沖電源參數(shù)為8kV，2kHz，500ns，大氣壓空氣脈沖DBD放電電流電壓圖如圖4所示，觀察到兩個放電電流區(qū)間，分別是電壓脈沖上升沿的正峰和下降沿的負(fù)峰。其中，正電流的幅值遠(yuǎn)高于負(fù)電流的幅值，負(fù)電流的出現(xiàn)是由于正放電過程中的電荷積累。由于放電回路中存在容性器件，在脈沖的第一個峰值結(jié)束后，放電存在多個納秒級的震蕩，持續(xù)一段時(shí)間后降至零點(diǎn)附近。發(fā)射光譜如圖5所示，由N2(C3Πu-B3Σg)、N2+(B2Σu-X2Σg)和N2(B3Σg-A3Σu+)構(gòu)成。整個波長范圍內(nèi)，光譜強(qiáng)度最高的譜線為337.1nm，氮?dú)獾牡诙龓档淖V線最清晰且光譜強(qiáng)度最高，這是由于氮?dú)鈦喎€(wěn)態(tài)基團(tuán)退激發(fā)產(chǎn)生的。圖6展示了一個脈沖周期內(nèi)IsCMOS圖像變化。

引用文獻(xiàn)

[1]孫雨. 空氣中局部放電發(fā)射光譜特性研究_孫雨[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué), 2023[2]大氣壓氬氣_空氣針-環(huán)式介質(zhì)阻擋放電發(fā)射光譜診斷_李政楷[J].[3]蘭宇丹,何立明,丁偉,等. 氬氣含量對空氣介質(zhì)阻擋放電發(fā)射光譜的影響_蘭宇丹[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2011, 31(04): 898-901.

作者簡介

李春博士

北京化工大學(xué)動力工程及工程熱物理專業(yè)在讀博士，北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)等離子體與智能裝備制造課題組，課題組研究方向包括等離子體放電結(jié)構(gòu)研究，等離子體仿真模擬，等離子體實(shí)時(shí)診斷和等離子體多模態(tài)數(shù)據(jù)融合分析。

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