大氣壓針—環(huán)式介質(zhì)阻擋放電等離子體射流源的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：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(dá)被處理物體的表面；對(duì)被處理物體的幾何形狀和尺寸沒有限制；通過移動(dòng)等離子體射流裝置，能夠?qū)Ρ惶幚砦矬w進(jìn)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(diǎn)，富含了大量的化學(xué)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(xué)應(yīng)用、材料表面改性、薄膜沉積、刻蝕等眾多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，已成為國際上的研究熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)和改進(jìn)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(xué)與工程技術(shù)研究中的重要方向。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計(jì)了一種螺環(huán)-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)的大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電Ar冷等離子體射流裝置，并對(duì)其進(jìn)行了電學(xué)和光學(xué)

3、特性診斷。結(jié)果表明:該等離子體射流的有效功率和氣體溫度相對(duì)較低，并且有效功率、氮分子轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和振動(dòng)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(jí)分別達(dá)到了1016cm-3、1016cm-3和1012 cm-3。⑵設(shè)計(jì)了一種管-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)的大氣壓沿面介質(zhì)阻擋放電Ar冷等離子射流裝置。該等離子體射流裝置是對(duì)螺環(huán)-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)等離子體射流裝置進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)軸向

4、電場而設(shè)計(jì)得到。通過電學(xué)和光學(xué)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(qiáng)度大、電子溫度高，并且氮分子振動(dòng)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(jié)構(gòu)等離子體射流，其中氧原子密度高出約34％。⑶設(shè)計(jì)了一種針-管-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)的大氣壓介質(zhì)阻擋復(fù)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(jié)構(gòu)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(xué)和光學(xué)特性診斷，發(fā)現(xiàn)該等

5、離子體射流的傳導(dǎo)電流峰值、有效功率、氮分子振動(dòng)溫度、電子激發(fā)溫度、光譜強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(zhì)阻擋放電等離子體射流裝置在介質(zhì)內(nèi)點(diǎn)燃等離子體的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)的大氣壓介質(zhì)阻擋放電Ar冷等離子體射流裝置，并對(duì)其進(jìn)行了電學(xué)和光學(xué)特性診斷。結(jié)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(chǎn)生等離子體射流，并且具

6、有針尖處電場強(qiáng)度大、氣體溫度相對(duì)較低、氧原子密度數(shù)量級(jí)達(dá)到1016cm-3等特點(diǎn)。⑸在針-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)的大氣壓介質(zhì)阻擋放電Ar冷等離子體射流裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種針-環(huán)式電極結(jié)構(gòu)的大氣壓介質(zhì)阻擋放電Ar/O2冷等離子體射流裝置，并對(duì)其進(jìn)行了電學(xué)和光學(xué)特性診斷。結(jié)果表明:該等離子體射流裝置能夠在氧氣對(duì)氬氣的體積比高達(dá)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(qiáng)度大、電子溫度和電子能量高、氣體溫度接近室溫、化學(xué)活性氧原子