1 中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室, 沈抚示范区, 辽宁 沈阳 113122
2 沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
在等离子体射流的辅助下, 液体的雾化特性能够得到一定程度的改善, 等离子体辅助雾化具备应用于超细水雾抑制瓦斯爆炸领域的潜力。 然而, 由于等离子体射流中存在的多种活性粒子对于燃烧存在促进作用, 因此有必要对瓦斯气体存在的条件下等离子体中的活性粒子种类进行定量分析。 在大气压下开展了以氦气作为载气对预混的甲烷和空气进行介质阻挡(DBD)放电研究。 结果表明, 等离子体射流中的主要活性粒子为OH基团、 N2的第二正带系、 CH基团、 HeI原子以及少量的O原子, 其中甲烷电离区的谱线主要集中在400~600 nm。 增大峰值电压和氦气掺混体积流量比都可以有效提高等射流中活性基团的含量。 采用N2第二正带系的连续谱带做最小二乘线性拟合, 对等离子体射流的振动温度进行了计算, 得到大气压氦气/空气-甲烷等离子体射流的振动温度在2 000~4 000 K之间。 随着峰值电压和氦气掺混比的增大, 振动温度都呈现增大趋势。 利用HeI原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合, 对等离子体射流的电子激发温度进行了计算, 得到大气压氦气/空气-甲烷等离子体射流的电子激发温度在3 500~13 000 K之间。 随峰值电压的增大, 电子激发温度表现出增大的变化趋势, 随着氦气掺混比的增大, 电子激发温度表现出减小的变化趋势, 分析发现随着氦气体积流量的增大, 使得射流发生器内的气流变快, 带走了发生器内更多的热量, 导致电子激发温度下降。
介质阻挡放电 发射光谱 电子激发温度 振动温度 Dielectric barrier discharge Emission spectroscopy Electronic excitation temperature Vibration temperature 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2694
1 中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室, 沈抚示范区, 辽宁 沈阳 113122
2 沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
为掌握反应器结构参数和放电参数对大气压非平衡等离子体射流(N-APPJ)的射流长度的定量影响, 设计了多结构的针-环式电极氩气等离子体射流装置, 分别研究了放电电压、 电极间隙、 高压电极放电末端与接地电极的距离及氩气体积流量对射流长度的影响, 并采用发生光谱法对该反应器产生的等离子体电子激发温度进行了计算。 结果表明: 等离子体射流的最大长度可达80 mm; 高压电极放电末端与接地电极之间的距离越大, 射流长度越长但不是线性增长; 射流长度随电极间隙的增加呈现先增大后减小的趋势且在电极间隙为4.5 mm时该射流达到最大长度; 随着氩气体积流量的增加, 等离子体射流长度也呈现出先增大后减小的趋势且减小的幅度较低; 电子激发温度在高压电极和接地电极处较高, 两电极之间部分次之, 在石英管出口处会有比较明显的下降。
大气压等离子体射流 介质阻挡放电 射流长度 电极结构参数 Atmospheric pressure plasma jet Dielectric barrier discharge Jet length Electrode structure parameters 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3682
沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
为了解Ar添加对空气滑动弧等离子体的影响, 在放电频率f=10 kHz、 空气流量qAir=15 L·min-1、 1 atm下进行了Ar体积流量qAr对空气-Ar滑动弧放电的影响试验研究, 重点分析了不同qAr及调压器电压U调下空气等离子体的活性粒子种类、 电子密度及振动温度。 结果表明, 滑动弧等离子体区的主要活性粒子为OH、 N2的第二正带系、 Hα、 O原子、 ArⅠ及ArⅡ原子, 其中O原子及ArⅠ、 ArⅡ原子的相对光谱强度明显较强; 随着qAr的增大, O(777.4 nm)的相对光谱强度先缓慢增长、 再快速增大到极大值、 随后缓慢减小并趋于稳定, O(777.4 nm)的相对光谱强度在1 580~6 650 a.u.之间变化; 随U调增大, O(777.4 nm)的相对光谱强度增大, 且电压对其影响受qAr的影响: 在高qAr(4~6 L·min-1)工况下, O(777.4 nm)的相对光谱强度变化趋势较大; Ar的加入使OH(313.4 nm)相对光谱强度有明显增加, OH(313.4 nm)相对光谱强度在235~311 a.u.之间变化; 随着qAr的增大, OH(313.4 nm)相对光谱强度先增大再减小并趋于稳定。 在较低U调(100 V)工况下, OH(313.4 nm)的相对光谱强度随qAr变化不明显; 而随着U调增大, OH(313.4 nm)的相对光谱强度随qAr变化明显: 在低qAr(0~4 L·min-1)工况下, OH(313.4 nm)的相对光谱强度随qAr增大而明显增大。 利用Hα谱线做高斯拟合进行电子密度分析计算, 得到电子密度在1.15~2.04×1017 cm-3之间。 空气流量一定, Ar的加入能显著增加电子密度: 在qAr为0~4 L·min-1工况下, 电子密度增长趋势明显, 随着qAr的继续增大, 在较低U调(100~120 V)工况下, 电子密度先增大再减小并趋于稳定; 在较高U调(140~160 V)工况下, 电子密度先增大再缓慢增大并趋于稳定。 U调变化也会对电子密度造成影响, 电子密度随U调增大而增大, 且随U调增大, 电子密度增长趋势变快。
滑动弧放电 发射光谱法 振动温度 电子密度 Gliding arc plasma Emission spectrometry Vibration temperature Electron density OH O OH O 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3006
1 中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室，辽宁 大连 116650
2 中国科学院大学，北京 100049
设计并搭建了一台具有高重复频率(1 MHz)和低泵浦阈值的飞秒光参量放大器(OPA)。该OPA使用掺镱飞秒光纤激光器进行泵浦，超连续白光作为种子在β-偏硼酸钡(BBO)晶体内被515 nm倍频光放大，实现了650～950 nm范围内的可调谐输出。该OPA的最高转换效率超过20%，功率稳定性可以达到0.22%，压缩后的最短脉宽小于34 fs，当1030 nm波段的脉冲能量为300 nJ时即可实现稳定输出。相比于飞秒光参量振荡器，该系统更加简单稳定；相比常规飞秒光参量放大器，该OPA具有更低的阈值，更适合高重复频率低能量的应用场景，例如多光子成像、显微瞬态吸收光谱等。
激光器 飞秒光参量放大器 低阈值 可调谐激光 高稳定性 中国激光
2022, 49(23): 2301004
1 沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
2 大连理工大学能源与动力学院, 辽宁 大连 116024
为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程, 通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz, 一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。 通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、 电子激发温度及振动温度进行了诊断。 结果表明, 射流中的主要活性粒子为N2的第二正带系、 Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子, 其中N2的第二正带系的相对光谱强度最强、 最清晰, 在本试验的发射光谱中没有发现$N^{+}_{2}$的第一负带系谱线, 这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。 利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算, 得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。 随峰值电压的增大, 电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势, 这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。 通过N2的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断, 发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间, 其随峰值电压的增大而减小, 这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能, 但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短, 进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小, 从而导致等离子体振动温度的降低。
介质阻挡放电 发射光谱法 电子激发温度 振动温度 Dielectric barrier discharge Emission spectrometry Electronic excitation temperature Vibration temperature 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3307
1 大连理工大学能源与动力学院, 辽宁 大连 116024
2 大连民族大学机电工程学院, 辽宁 大连 116605
3 沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
为了加快低温氦气等离子体射流的工程化进程, 通过自主设计的同轴式介质阻挡放电等离子体射流发生器, 在放电频率10 kHz, 一个大气压条件下产生了稳定的氦气等离子体射流。 通过分析不同工况下的电压电流波形可以发现单纯增加氦气体积流量只能小幅的增加电流脉冲幅值, 而对放电时间、 电流脉冲数的影响不大。 增加放电峰值电压时电流脉冲幅值会得到较大幅度增加。 通过发射光谱法对大气压氦气等离子射流的活性粒子种类、 电子激发温度、 电子密度进行了诊断。 结果表明, 大气压氦气等离子体射流中的主要活性粒子为He Ⅰ原子、 N2第二正带系、 N+2的第一负带系、 羟基（OH）, H原子的巴尔末线系（Hα和Hβ）与O原子, 这表明虽然该试验中使用的氦气纯度已达99.99%, 但其中仍残留有少量的空气, 同时放电时大气中的空气会被卷吸到放电空间发生电离。 还可以发现, 主要活性粒子的相对光谱强度随氦气体积流量的增加及放电峰值电压的增大均呈现上涨的趋势。 选用He Ⅰ原子的的四条谱线对不同试验工况下的电子激发温度进行了计算, 得到大气压氦气等离子体射流的电子激发温度在3 500~6 300 K之间, 电子激发温度随放电峰值电压与氦气体积流量的增大总体上呈现上升的趋势。 但由于反向电场的存在, 某些峰值电压可能会出现电子激发温度下降的情况; 根据Stark展宽原理对大气压氦气等离子体射流的电子密度进行了计算, 发现电子密度的数量级可达1015 cm-3, 同时增大峰值电压与氦气体积流量均可有效的提高射流中的电子密度。 这些参数的研究对氦气等离子体射流在工程实际中的应用具有重要意义。
大气压 氦气介质阻挡放电 发射光谱法 电子激发温度 电子密度 Atmospheric pressure Heliumdielectric barrier discharge Emission spectroscopy Electron excitation temperature Electron density 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1874
1 沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
2 大连民族大学机电信息工程学院, 辽宁 大连 116600
3 大连理工大学内燃机研究所, 辽宁 大连 116024
为了更加深入的研究大气压条件下Ar/CH4等离子体射流的放电机理和其内部电子的状态, 通过自主设计的针-环式介质阻挡放电结构, 在放电频率10 kHz、 一个大气压条件下产生了稳定的Ar/CH4等离子体射流, 并利用发射光谱法对其进行了诊断研究。 对大气条件下Ar/CH4等离子体射流的放电现象及内部活性粒子种类进行诊断分析, 重点研究了不同氩气甲烷体积流量比、 不同峰值电压对大气压Ar/CH4等离子体射流电子激发温度、 电子密度以及CH基团活性粒子浓度的影响规律。 结果表明, 大气压条件下Ar/CH4等离子体射流呈淡蓝色, 在射流边缘可观察到丝状毛刺并伴有刺耳的电离声同时发现射流尖端的形态波动较大; 通过发射光谱可以发现Ar/CH4等离子体射流中的主要活性粒子为CH基团, C, CⅡ, CⅢ, CⅣ, ArⅠ和ArⅡ, 其中含碳粒子的谱线主要集中在400~600 nm之间, ArⅠ和ArⅡ的谱线分布在680~800 nm之间; 可以发现CH基团的浓度随峰值电压的增大而增大, 但CH基团浓度随Ar/CH4体积流量比的增大而减小, 同时Ar/CH4等离子体射流中C原子的浓度随之增加, 这表明氩气甲烷体积流量比的增大加速了Ar/CH4等离子体射流中C—H的断裂, 因此可以发现增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可明显的加快甲烷分子的脱氢效率, 但增大氩气甲烷体积流量比的脱氢效果更加明显。 通过多谱线斜率法选取4条ArⅠ谱线计算了不同工况下的电子激发温度, 求得大气压Ar/CH4等离子体射流的电子激发温度在6 000~12 000 K之间, 且随峰值电压与氩气甲烷体积流量比的增大均呈现上升的趋势; 依据Stark展宽机理对Ar/CH4等离子体射流的电子密度进行了计算, 电子密度的数量级可达1017 cm-3, 且增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可有效的提高射流中的电子密度。 这些参数的探索对大气压等离子体射流的研讨具有重大意义。
大气压 介质阻挡放电 原子发射光谱法 电子激发温度 电子密度 Atmospheric pressure Dielectric barrier discharge Emission spectroscopy Electron excitation temperature Electron density 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1398
1 沈阳航空航天大学航空航天工程学院, 辽宁 沈阳 110136
2 大连民族大学机电信息工程学院, 辽宁 大连 116605
大气压下介质阻挡放电应用领域具有多范畴、 深广度、 常态化等优势, 针对同轴电极放电试验进行了系列参数诊断。 采用自主研发的介质阻挡放电助燃激励器, 在一个标准大气压、 放电频率11.4 kHz、 放电峰值电压5.4～13.4 kV(间隔1.0 kV)条件下进行了氩气电离试验。 采用原子发射光谱法(AES)对氩等离子体谱线的激发、 分光进行了检测分析; 选用二谱线法及Boltzmann法测试了电子激励温度; 根据Stark展宽效应计算了电子密度; 获得了电子激励温度及电子密度随放电峰值电压增长的变化规律。 结果表明, 在试验电压条件下电子激励温度并不随外加电压的升高而递增, 这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外部电压的供给, 而是取决于气体组份、 气体压强和放电模型, 增大外加放电电压仅增加单位时间内微放电的数量, 经整合电子激励温度可达3 500 K符合典型的低温等离子体特征; 电子密度随外加电压的增长而趋于准线性趋势, 电子密度数量级可达到108～109 cm-3, 电离度偏弱。 这些参数的探索对等离子体研讨有重大意义。
大气压 介质阻挡放电 低温等离子体 电子激励温度 电子密度 Atmosphericpressure DBD Low temperature plasma Excited electron temperature Electron density 光谱学与光谱分析
2018, 38(12): 3678
