大气压毛细管内等离子体射流特性及应用研究

摘要

相比于低气压等离子体技术，大气压等离子体技术在降低工业费用，以及在极端条件下的材料加工处理等方面体现了优势。大气压冷等离子体射流是近年来兴起的一项大气压类辉光等离子体发生技术，以射频容性耦合阻挡激励和直流微孔空心阴极放电为主要方式，得到的等离子体射流长度短、密度低，而且有的还需要在起辉阶段使用触发放电点火，否则放电较难实现，重复性较差。因此研究一种简单而实用的冷等离子体射流发生技术就成了一项很有意义的工作。
　　 本文采用普通医用针头作为电极，内径较小的绝缘管作为介质管，通过施加频率为45 kHz的正弦电压，实现了氩气在介质阻挡方式下超长的单电极等离子体射流，以及在石英毛细管内两针状电极之间的高密度大气压等离子体放电，并在不同的实验参量(外加电压、电源频率、掺杂活性气体浓度等)下，分别对这两种等离子体放电进行了电学和光谱学诊断。
　　 在研究大气压空心单电极等离子体射流时，发现随着外加电压的增加，石英毛细管内的等离子体放电存在由一开始的电晕放电过渡到羽毛状的辉光放电，再转为丝状放电的变化过程，石英管内的超长氩等离子体射流实际上是很多丝状放电沿着管内壁蜿蜒延伸的效果。此外，等离子体射流的长度是随着外加电压以及电源频率的增加而增加的，并基本与电流的增长保持一致，但等离子体射流在丝状放电模式下的功率密度却基本保持不变。当用光化线强度测定石英管内单电极氩氧等离子体射流中的氧原子含量时，发现氧气含量为1.4％时可以产生最多的氧原子。
　　 在研究石英毛细管内两针型电极之间产生的等离子体放电时，发现随着外加电压的增加，管内等离子体放电存在自反常辉光放电向弧光放电的过渡过程，且从放电的伏安特性曲线来看，不同电源频率以及不同针尖间距都会对其产生影响。另外，用OH自由基的谱线合成法测得石英管内等离子体弧光放电时的气体温度在1000 K以上，用斯塔克展宽法测得管内等离子体弧光放电时的电子密度数量级为1014 cm-3。而当同样用光化线强度测定石英管内两针型电极之间产生的氩氧弧光等离子体中的氧原子含量时，发现放电产生的氧原子数目受氧气掺杂百分比的影响很小，几乎保持不变。
　　 此外，我们还进行了有关大气压空心单电极等离子体射流应用的初步研究。不仅利用单电极氩氮等离子体射流作了金属表面硬度提高的实验，还利用单电极氩氧等离子体射流作了一些材料表面的亲水性处理和水的酸化处理。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1等离子体概述

1.1.1等离子体基本概念

1.1.2等离子体基本性质

1.1.3常见大气压等离子体放电形式

1.2大气压冷等离子体射流

1.2.1大气压冷等离子体射流的发展

1.2.2大气压空心单电极等离子体射流的研究现状

2 实验方案及原理

2.1大气压单电极等离子体射流装置的设计

2.2利用发射光谱法测量等离子体温度的方法及原理

2.2.1转动温度

2.2.2气体温度

2.2.3激发温度

2.2.4振动温度

2.3利用斯塔克展宽法测量等离子体电子密度的方法及原理

2.3.1谱线的展宽机制

2.3.2根据斯塔克展宽计算等离子体电子密度

3大气压空心单电极等离子体射流

3.1 放电现象讨论

3.2电学诊断

3.3 光谱学诊断

3.3.1等离子体激发温度的测量与讨论

3.3.2等离子体电子密度及气体温度的估算

3.3.3氩氧等离子体射流中氧原子的光化线强度测定

4大气压石英毛细管内两中空电极之间的等离子体放电

4.1 电学诊断

4.2 光谱学诊断

4.2.1利用发射光谱法诊断管内等离子体气体温度

4.2.2利用斯塔克展宽法测量管内等离子体电子密度

4.2.3管内氩氧等离子体中氧原子的光化线强度测定

5大气压空心单电极等离子体射流的初步应用研究

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢