大气压冷等离子体实验指导教程
大气压冷等离子体实验 指导教程
目录1大气压交流放电氢气等离子体射流及其诊断..12低温等离子体对PVC表面亲水性的改变......8
目 录 1 大气压交流放电氦气等离子体射流及其诊断. 1 2 低温等离子体对 PVC 表面亲水性的改变.8
第一章大气压交流放电氢气等离子体射流及其诊断1背景知识大气压低温等离子体射流是近年来兴起的一种新的大气压类辉光等离子体发生技术，以其低温特点和良好的可控性在材料处理、消毒杀菌、处理有机废气等应用领域表现出某些优势，并迅速成为目前国际上等离子体应用领域的研究热点。现阶段研究的大气压低温等离子体射流多采用直流电源或交流电源为等离子发生器的功率源可在常压开放空气环境中获得均匀稳定的等离子体射流，具有气体温度低、活性粒子浓度较高、连续工作时间长等特点。大气压下射流等离子体（APPJs)因其较强的电化学活性和低温特性在生物医学、环境治理以及材料表面处理等领域取得了广泛的应用，近年来一直是低温等离子体研究的一个热点。而在实际应用中，射流体长度在很大程度上影响和制约了APPJs的应用。因此，研究影响大气压下射流等离子体放电长度的不同因素，并系统地分析其作用机理，对于提高射流放电的可控性，增强适用性具有重要的意义。目前，已有诸多学者对大气压下射流放电长度的影响因素进行了研究。现在普遍认为，APPJs是一个由在强电场下产生并发展的电离崩头随气流喷出射流管，并进一步电离前方气体从而在射流管外低电场区产生射流等离子体的过程。因此电离崩头的能量和射流管前方工作气体的含量在很大程度上影响看射流体的长度。英国孔刚玉教授团队采用ICCL对APPIs中的高速等离子体子弹的运动过程进行了拍摄，并系统地阐述了APPIs的发展过程及其机理口。华中科技大学的卢新培教授团队采用射频电源和针孔射流管产生了110mm的氢气射流体，并采用ICCD拍摄、光谱分析、放电电压、电流、电荷分析等方法对其放电特性进行了研究。中科院物理所的江南教授则对APPJ的回流放电现象的起始原因进行了细致地研究，发现电荷溢出机制对该现象起着主要作用。清华大学李庆等人结合空气动力学研究了气流速率对于单电极氢气、氩气和氛气APPJ射流长度的影响口。1
1 第一章 大气压交流放电氦气等离子体射流 及其诊断 1 背景知识 大气压低温等离子体射流是近年来兴起的一种新的大气压类辉光等离子体发生 技术，以其低温特点和良好的可控性在材料处理、消毒杀菌、处理有机废气等应用领 域表现出某些优势，并迅速成为目前国际上等离子体应用领域的研究热点。现阶段研 究的大气压低温等离子体射流多采用直流电源或交流电源为等离子发生器的功率源， 可在常压开放空气环境中获得均匀稳定的等离子体射 流，具有气体温度低、活性粒 子浓度较高、连续工作时间长等特点。 大气压下射流等离子体(APPJs)因其较强的电化学活性和低温特性在生物医学、 环境治理以及材料表面处理等领域取得了广泛的应用，近年来一直是低温等离子体研 究的一个热点 。而在实际应用中，射流体长度在很大程度上影响和制约了 APPJs 的 应用。因此，研究影响大气压下射流等离子体放电长度的不同因素，并系统地分析其 作用机理，对于提高射流放电的可控性，增强适用性具有重要的意义。目前，已有诸 多学者对大气压下射流放电长度的影响因素进行了研究。现在普遍认为，APPJs 是一 个由在强电场下产生并发展的电离崩头随气流喷出射流管，并进一步电离前方气体从 而在射流管外低电场区产生射流等离子体的过程。因此电离崩头的能量和射流管前方 工作气体的含量在很大程度上影响着射流体的长度 。英国孔刚玉教授团队采用 ICCD 对 APPJs 中的高速等离子体子弹的运动过程进行了拍摄，并系统地阐述了 APPJs 的发 展过程及其机理口 。华中科技大学的卢新培教授团队采用射频电源和针孔射流管产 生了 110 mm 的氦气射流体，并采用 ICCD 拍摄、光谱分析、放电电压、电流、电荷分 析等方法对其放电特性进行了研究 。中科院物理所的江南教授则对 APPJ 的回流放电 现象的起始原因进行了细致地研究，发现电荷溢出机制对该现象起着主要作用 。清 华大学李庆等人结合空气动力学研究了气流速率对于单电极氦气、氩气和氖气 APPJ 射流长度的影响口
等离子体的诊断可以分为接触式和非接触式，接触式诊断方法主要包括Langmuir探针法、阻抗测量法等，一般用于大范围均匀分布等离子体的诊断；非接触式诊断方法主要包括微波透射法、光谱法等，一般用于小尺寸等离子体的诊断。发射光谱诊断技术具有无干扰、灵敏度高等优点，其原理是基于电磁辐射与物质的相互作用，是研究等离子体状态和性能较为理想的诊断方法以往研究表明，等离子体的温度是表征等离子体射流状态和过程最重要的物理参数之一。简而言之，电子在等离子体电离和粒子间的碰撞过程中始终占据着主导地位，通过碰撞使原子或分子处于激发态。而激发态粒子的生命周期及其分布都和等离子体的转动温度密切相关，因此测量等离子体射流的转动温度和振动温度对其应用具有非常重要的价值。2实验目的1.了解等离子体射流产生机制；2.掌握放电外施电压对射流长度的影响；3.掌握气体流速对射流长度的影响4.了解从发射光谱求等离子体参数的方法3实验仪器与材料高频交流电源，射流发生装置，高纯氩气，示波器，发射光谱仪实验所用电源为南京苏曼等离子体有限公司生产，规格型号为CTP-2000K。电源功率0-500W：输出电压0-30kV；频率可调节范围约为5-20kHz；中心频率约为10kHz。实验时，高压电源与调压器相连接，调压器输入端接入220V交流电。高纯度氩气：北京市北温气体制造厂出品，纯度为99.999%；执行标准符合GB/T10624-1995。2
2 等离子体的诊断可以分为接触式和非接触式，接触式诊断方法主要包括 Langmuir 探针法、阻抗测量法等，一般用于大范围均匀分布等离子体的诊断；非接 触式诊断方法主要包括微波透射法、光谱法等，一般用于小尺寸等离子体的诊断。 发射光谱诊断技术具有无干扰、灵敏度高等优点，其原理是基于电磁辐射与物质 的相互作用，是研究等离子体状态和性能较为理想的诊断方法 以往研究表明，等离子体的温度是表征等离子体射流状态和过程最重要的物理参 数之一。简而言之，电子在等离子体电离和粒子间的碰撞过程中始终占据着主导地位， 通过碰撞使原子或分子处于激发态。而激发态粒子的生命周期及其分布都和等离子体 的转动温度密切相关，因此测量等离子体射流的转动温度和振动温度对其应用具有非 常重要的价值。 2 实验目的 1.了解等离子体射流产生机制； 2.掌握放电外施电压对射流长度的影响； 3.掌握气体流速对射流长度的影响 4.了解从发射光谱求等离子体参数的方法 3 实验仪器与材料 高频交流电源，射流发生装置，高纯氩气，示波器，发射光谱仪 实验所用电源为南京苏曼等离子体有限公司生产，规格型号为 CTP-2000K。电 源功率 0-500W；输出电压 0-30 kV；频率可调节范围约为 5-20 kHz；中心频率约为 10 kHz。实验时，高压电源与调压器相连接，调压器输入端接入 220V 交流电。 高纯度氩气：北京市北温气体制造厂出品，纯度为 99.999%；执行标准符合 GB/T10624-1995
射流发生装置如图1-1所示，管子长度为110mm，其内径为3.5mm，外径为5mm，直径为1mm的钨丝作为中心电极，外电极采用铜箔电极，电极宽度为5mm.射流长度图1-1射流发生装置示意图示波器：产于上海优利德电子有限公司，型号为UT2202C，带宽为220MHz；采样频率为500MS/s，具有两个模拟通道、波形的录制、回放和边沿、脉宽、交替触发等功能。转子流量计：产于浙江宁波市余姚流量计厂家，量程范围25-250L/h，是一种测量流量大小的仪表。4实验原理实验装置示意图如图1-2所示，功率源为高频交流电源。该装置的主体部分是射流发生装置。在石英玻璃管的上游端口处接入一根钨丝并与脉冲功率源高压端连接工作气体（纯度为99.99%的氩气）从针头口输入：距离射流出口上方25mm处绕有一环状电极，也与电源高压端连接发生器下游端口外10mm处置有一接地金属板。为了抑制丝状放电的产生，在接地极上覆盖了厚度为1mm的石英玻璃板。通过施加电压，电极之间发生放电产生等离子体，在流动气体作用下，放电区等离子体被喷射出管外形成射流。放电电压、电流分别由TektronixP6015A高压探头测得，并通过示波器进行读取、记录接地电极距管口同样为10mm。实验中采用数码相机（佳能500D，曝光时问s)对放电过程进行记录，并配以标尺对射流体长度进行测量，如图3所示。考虑到在进行材料或生物医学应用时主要应用的是喷出管口的射流等离子体，因此取管口为射流长度计m
3 射流发生装置如图 1-1 所示，管子长度为 110 mm，其内径为 3．5 mm，外径 为 5 mm，直径为 1 mm 的钨丝作为中心电极，外电极采用铜箔电极，电极宽度为 5 mm。 示波器：产于上海优利德电子有限公司，型号为 UT2202C，带宽为 220 MHz； 采样频率为 500 MS/s，具有两个模拟通道、波形的录制、回放和边沿、脉宽、交替触 发等功能。 转子流量计：产于浙江宁波市余姚流量计厂家，量程范围 25-250 L/h，是一种测 量流量大小的仪表。 4 实验原理 实验装置示意图如图 1-2 所示，功率源为高频交流电源。该装置的主体部分是射 流发生装置。在石英玻璃管的上游端口处接入一根钨丝并与脉冲功率源高压端连接， 工作气体(纯度为 99．99％的氩气)从针头口输入；距离射流出口上方 25mm 处绕有一 环状电极，也与电源高压端连接；发生器下游端口外 10mm 处置有一接地金属板。为 了抑制丝状放电的产生，在接地极上覆盖了厚度为 l mm 的石英玻璃板。通过施加电 压，电极之间发生放电产生等离子体，在流动气体作用下，放电区等离子体被喷射出 管外形成射流。放电电压、电流分别由 Tektronix P6015A 高压探头测得，并通过示波 器进行读取、记录接地电极距管口同样为 10 mm 。实 验 中采 用 数 码 相 机 (佳 能 500D ，曝 光 时 问 s)对放 电过程进行记录，并配 以标尺对射流体 长度进 行测 量 ，如 图 3 所示 。考 虑 到 在 进 行材 料 或 生 物医学应 用 时 主要 应 用 的 是 喷 出 管 口 的射 流 等 离 子体 ，因此 取管 口为射 流 长度计 图 1-1 射流发生装置示意图