大氣壓針—環(huán)式介質阻擋放電等離子體射流源的電極結構設計和特性研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的大氣壓非平衡等離子體裝置相比，大氣壓冷等離子體射流裝置具有以下幾個優(yōu)點：等離子體射流形成于開放的空氣環(huán)境中，而不是局限在窄小的放電空間；無論是直接處理還是間接處理，都能使大部分壽命短暫的活性粒子在消失之前，到達被處理物體的表面；對被處理物體的幾何形狀和尺寸沒有限制；通過移動等離子體射流裝置，能夠對被處理物體進行三維處理。此外，大氣壓冷等離子體射流秉承了大氣壓非熱平衡等離子體的優(yōu)良特點，富含了大量的化學活性粒子如羥基、氧原子等，并

2、且氣體溫度只有幾百K，在極端非平衡條件下氣體溫度甚至接近室溫。因此，在生物醫(yī)學應用、材料表面改性、薄膜沉積、刻蝕等眾多工業(yè)應用領域受到了廣泛的關注，已成為國際上的研究熱點。設計和改進大氣壓冷等離子體射流裝置、診斷等離子體射流的特性、完善等離子體射流的診斷方法等，是目前等離子體科學與工程技術研究中的重要方向。
　　本研究主要內容包括：⑴設計了一種螺環(huán)-環(huán)式電極結構的大氣壓沿面介質阻擋放電Ar冷等離子體射流裝置，并對其進行了電學和光學

3、特性診斷。結果表明:該等離子體射流的有效功率和氣體溫度相對較低，并且有效功率、氮分子轉動溫度和振動溫度、電子激發(fā)溫度、氧原子密度、氮分子密度和平均電子密度隨峰值電壓的增大而增大，其中氧原子密度、氮分子密度和平均電子密度的數(shù)量級分別達到了1016cm-3、1016cm-3和1012 cm-3。⑵設計了一種管-環(huán)式電極結構的大氣壓沿面介質阻擋放電Ar冷等離子射流裝置。該等離子體射流裝置是對螺環(huán)-環(huán)式電極結構等離子體射流裝置進行改進，增強軸向

4、電場而設計得到。通過電學和光學特性診斷，發(fā)現(xiàn)該等離子體射流的有效功率低、放電空間電場強度大、電子溫度高，并且氮分子振動溫度、電子激發(fā)溫度、氧原子密度和平均電子密度明顯大于螺環(huán)-環(huán)式電極結構等離子體射流，其中氧原子密度高出約34％。⑶設計了一種針-管-環(huán)式電極結構的大氣壓介質阻擋復合放電Ar冷等離子體射流裝置。該等離子體射流裝置是在管-環(huán)式電極結構等離子體射流裝置的管狀高壓電極里插入一根針狀高壓電極所得到。通過電學和光學特性診斷，發(fā)現(xiàn)該等

5、離子體射流的傳導電流峰值、有效功率、氮分子振動溫度、電子激發(fā)溫度、光譜強度、氧原子密度、氮分子密度和平均電子密度明顯大于管-環(huán)式電極結構等離子體射流，其中氧原子密度高出約21％。⑷為了解決前面三種介質阻擋放電等離子體射流裝置在介質內點燃等離子體的缺點，設計了一種針-環(huán)式電極結構的大氣壓介質阻擋放電Ar冷等離子體射流裝置，并對其進行了電學和光學特性診斷。結果表明:該等離子體射流裝置能夠在較低電壓下，直接在裝置的外部產生等離子體射流，并且具

6、有針尖處電場強度大、氣體溫度相對較低、氧原子密度數(shù)量級達到1016cm-3等特點。⑸在針-環(huán)式電極結構的大氣壓介質阻擋放電Ar冷等離子體射流裝置的基礎上，設計了一種針-環(huán)式電極結構的大氣壓介質阻擋放電Ar/O2冷等離子體射流裝置，并對其進行了電學和光學特性診斷。結果表明:該等離子體射流裝置能夠在氧氣對氬氣的體積比高達12.5％的Ar/O2混合氣體中穩(wěn)定放電，并且具有針尖處電場強度大、電子溫度和電子能量高、氣體溫度接近室溫、化學活性氧原子