微等离子体转化二氧化碳发射光谱诊断

摘要

火星大气层的主要成分为二氧化碳,如果能够利用低温等离子体方法高效分解二氧化碳,使其转化为氧气和一氧化碳加以利用,可以大幅降低航天员生命保障相关载荷长途运输的成本,进一步提高生命保障能力.低温等离子体放电过程中会产生大量活性组分,可以在数百度温度下实现二氧化碳的高效解离,是具有很大潜力的二氧化碳解离与转化方式.设计了一种尺度在亚毫米级、功率输入为数瓦的直流微槽等离子体反应器,可以在较低气体温度下实现二氧化碳分解.测量了反应器电流、功率等放电参数,采用发射光谱确定了体系中激发态组分,分析了激发态粒子谱线强度随输入电压、稀释气体比例等反应器工作参数变化,利用氮气分子振转谱带测量了等离子体放电区振动温度和气体温度.研究表明,添加氩、氦、氮气均可以增强二氧化碳的分解,添加氦气可以促进二氧化碳的电离过程.稀释气体激发态因具有高能量,可以通过潘宁解离通道增强二氧化碳分解.氦组分激发态的能量高于二氧化碳电离能,可以促进二氧化碳的电离反应.微等离子体内存在强烈的振动-平动非平衡现象:振动温度约为4400～4800 K,而气体温度仅为450～600 K,表明可以通过合理的放电和结构设计,定向将能量注入到振动态,从而进一步促进二氧化碳的振动解离.