化学气体毒剂杀伤快、 易扩散、 难处置, 一旦使用或泄露将对****和社会稳定造成巨大威胁, 因此有必要发展一种可以现场实时检测化学毒害气体的方法。 目前, 传统气体检测方法主要包括红外吸收光谱、 气相色谱/质谱、 离子迁移谱和各种气体传感器等, 但其便携性、 灵敏度、 广谱性难以兼得, 无法完全满足现场检测需求。 基于发射光谱(OES)响应快、 灵敏度高、 广谱性好、 可重复性强的独特优势, 提出了一种大气压低温等离子体发射光谱检测技术。 分别以纳秒高压脉冲、 直流自脉冲和微波作为等离子体激励源, 使用毒性较小的甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为沙林模拟剂进行发射光谱检测; 以乙醇作为环境有机干扰物, 对乙醇与DMMP光谱进行了主成分分析; 并探究了放电脉冲频率与特征光谱强度的关系。 结果表明, 三种激励源产生的等离子体都可辨别出DMMP特征光谱: P原子特征谱线波长为213.82和215.09 nm, PO基团谱带波长为253.67和255.6 nm。 光谱识别度方面, 使用微波激励源时DMMP特征光谱最为明显, 而使用纳秒脉冲与直流自脉冲激励源时光谱连续本底强烈。 方法适用性方面, 微波等离子体无电极污染、 但需要氩气维持, 可作为建立毒害气体发射光谱数据库的手段; 而纳秒脉冲与直流自脉冲激励源可在常压空气环境中直接检测。 三种激励形式下等离子体区域都存在气体加热效应, 微波等离子体气体温度最高(约1 300 K), 而纳秒脉冲和直流自脉冲放电气体温度相近(分别约为980和880 K)。 研究发现, 提升脉冲重复频率可以显著增加DMMP特征光谱强度, 其与脉冲频率在1~40 kHz内呈线性关系(相关系数大于0.98)。 所提出的大气压等离子体发射光谱检测方法具有响应快、 操作简单等优点, 可扩展性强、 具有小型化潜力, 为毒害气体快速检测装备研发提供了技术参考。

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置，其工作频率2.45 GHz，工作气体为氩气，分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明，MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场，经过优化结构，实现在频率2.45 GHz下，喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时，利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟，并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明，不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律，但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律；同时，在大气压下，稳态微波等离子体射流呈现出类金属性，等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量，因而造成微波的反射功率较大。

大气压氩等离子体射流是一种非平衡等离子体, 能够产生大量的电子、 离子、 激发态粒子和活性基团, 在燃烧过程中这些粒子的参与能够大大降低化学反应的活化能, 而等离子体射流的动力学效应影响粒子输运过程, 使得等离子体射流具有一定程度的辅助燃烧效果。 本实验通过发射光谱测量, 分别识别出了在非预混和预混的甲烷燃烧过程参与燃烧的中间物种(OH, CH和C₂), 测量了这些自由基的发射光谱强度随着外部控制变量(放电电压、 混合当量比)变化的规律。 对于非预混情况, 实验发现随着产生等离子体射流放电电压的增大, 火焰总体长度变短, 火焰面出现褶皱, 火焰根部蓝色区域面积不断扩大, 在22 kV时, 大约占总火焰面积的1/2。 对火焰根部的发射光谱测量结果表明, 当电压达到16 kV时, 发射光谱明显增强, 而当电压进一步增大到22 kV时, 这些自由基粒子的光谱强度却出现下降, 这归因于在等离子体产生的电离风作用下管内气体流速增大, 导致燃烧区发生移动远离喷口, 使采集到的火焰根部区域变小造成的。 另外, 研究了在不同的燃料当量比下等离子体射流对预混气体助燃的过程, 实验发现燃料当量比为2时, OH(A-X)的光谱发射强度随电压的增大而增强而CH(A-X)和C₂(d)的发射强度在等离子体射流直接作用的情况下减小, 反映了在氩等离子体射流参与助燃下燃烧变得更加充分了。 实验发现等离子体射流产生大量的自由基以及等离子体电离风对混合过程的影响能够对燃烧过程产生明显影响。

采用了一种针对针的放电结构, 将其放置在一个高纯氩气的密闭腔室中, 通过施加正极性的过电压产生可重复的大气压纳秒脉冲放电, 并提出建立大气压放电的连续辐射模型来诊断氩气纳秒脉冲放电中的电子温度。 实验利用电压和电流探头分别获取放电过程中的电压和电流波形图, 其放电脉宽约为20 ns。 通过消色差透镜、 单色仪和ICCD等光学系统的组合来测量放电正柱区在不同时刻(0<t<20 ns)的时间分辨发射光谱。 结果表明, 放电中连续谱的强度随时间先增加(0<t<10 ns)后减小(10 ns<t<20 ns), 但是氩原子的谱线强度则随时间的增加而一直增大。 研究表明连续谱强度与电子密度成正相关, 因而电子密度随着时间也是先增加而后减小, 这与放电电流的变化规律是完全一致的。 根据连续谱模型拟合得到放电过程中(0<t<10 ns)的电子温度为(1.4±0.2) eV。 随着驱动电压的下降(10 ns<t<20 ns), 电子温度逐步减小至0.9 eV。 在0<t<10 ns中, 激发态氩原子主要是由电子碰撞激发产生的, 因而谱线强度随着电子密度的增加而增大。 然后, 随着电子温度的减小, ${Ar_{2}}^{+}$复合反应速率激增, 导致电子与离子的复合过程主导产生激发态氩原子, 即谱线强度继续增大。 通过加入0.5%的水蒸气以获取OH的振转光谱。 实验发现, OH(A)的产生机制使其偏离玻尔兹曼平衡分布, 本文采用了双温的OH(A-X)光谱模型来考察气体温度。 在放电过程中, 气体温度保持不变, 大约为400 K。 此外, 水蒸气的加入使得短波长的连续谱发生显著增强。 光谱分析认为H₂O在放电中能够解离产生H₂, 继而与氩原子的亚稳态发生能量转移生成激发态H₂($a^{3} \sum^{+}_{g}$)。 H₂($a^{3} \sum^{+}_{g}$)将会自发辐射跃迁到排除态H₂($b^{3} \sum^{+}_{u}$), 同时发射短波长的连续谱。 由于短波长的连续谱对电子温度(T_e>1 eV)的响应较为灵敏, 所以载气中少量的水蒸气将会对连续谱诊断电子温度带来较大的影响。

采用二维轴对称流体模型对比研究了3种不同电极结构下大气压Ar等离子体射流的基本特性。第一种是带绝缘介质的针电极结构（电场方向和气体流方向平行），第二种是在第一种电极结构的介质管外增加一个垂直气流方向的接地环电极，第三种是不带绝缘介质的裸针电极结构。研究结果表明，接地环电极的引入对介质管内外的射流传播影响不同。在介质管内，接地环电极使管内表面附近的径向电场增加，电子密度升高，射流传播速度加快，但对中心轴附近的电场和电子密度影响很小；然而在介质管外，接地环电极的引入导致轴向和径向电场均减小，从而引起射流的传播长度减小，射流通道径向收缩。通过带绝缘介质的针电极和裸针电极结构的对比研究发现，保持其他条件不变，去掉包裹在针电极上的介质后，由于等离子体电势升高，电场增加，射流的传播长度几乎增加一倍，峰值电子密度增加近一个数量级，而且在整个射流通道内电子密度都保持相对高的值。此外，对3种电极结构下的主要活性粒子的产生和输运进行了比较研究。

研制了一种双极性交替的纳秒高压脉冲电源，进行了双极性纳秒脉冲放电产生等离子体研究。该电源先通过固态开关IGBT将直流电压截断成电压脉冲，通过可饱和脉冲变压器拓扑，实现升压并缩短脉冲上升沿。该电源可在一个周期内输出极性相反的2个脉冲，且时序可以灵活控制。通过优化调整器件参数，研制了两种不同输出性能参数的双极性纳秒脉冲电源：①峰值电压10 kV、爆发模式脉冲重复频率500 kHz（正负脉冲间隔2 μs）、连续重复频率1 kHz；②峰值电压25 kV、爆发重频200 kHz、连续重频600 Hz。测试电源的运行性能，发现电源存在温度升高的情况，但长时间（＞0.5 h）运行温度趋于稳定。10 kV电源连续运行在1 kHz时最高温度点50.5 ℃；25 kV电源连续运行在600 Hz时最高温度点60 ℃。利用该电源驱动线板电极阵列和表面介质阻挡放电结构，证实了该电源可以用于常压空气条件下产生大面积等离子体。