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大气压低温等离子体射流甲醇直接合成乙二醇新技术实验教学研究

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实验技术与管理 2017年第1期34卷 44-47,55页

作者：钱沐杨陈小昌李桂刘三秋南昌大学物理系江西南昌330031

利用激光诱导荧光(LIF)及发射光谱(OES)对大气压CH_3OH/Ar等离子体射流放电进行了详细地诊断研究,主要考察了不同CH_3OH/Ar体积比对射流中OH自由基的密度时空分布的影响。研究结果表明,仅少量的甲醇蒸气掺入到工作气体氩气中时(CH_3OH/A... 详细信息

利用激光诱导荧光(LIF)及发射光谱(OES)对大气压CH_3OH/Ar等离子体射流放电进行了详细地诊断研究,主要考察了不同CH_3OH/Ar体积比对射流中OH自由基的密度时空分布的影响。研究结果表明,仅少量的甲醇蒸气掺入到工作气体氩气中时(CH_3OH/Ar体积比为0.05%),有利于OH自由基的产生。发射光谱测量结果中发现存在含碳的特征活性粒子,如CN、CH、C2等。对大气压CH_3OH/Ar等离子体放电中甲醇的分解机制进行了详细的探讨。通过实验数据及进一步的探讨分析,评估了大气压低温等离子体射流中甲醇直接合成乙二醇技术的关键性外界工作参数。

关键词：大气压低温等离子体射流有机化合物合成激光诱导荧光羟基

基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布

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电工技术学报 2017年第8期32卷 82-94页

作者：吴淑群董熙裴学凯岳远富卢新培南京航空航天大学自动化学院南京210016 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 武汉430074

由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子进行定量检测,本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置,基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对OH自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现,OH自... 详细信息

由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子进行定量检测,本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置,基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对OH自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现,OH自由基和O原子的寿命时间分别为1ms和3ms,远大于脉冲放电持续时间;采用拟合衰减曲线法,得到OH自由基的绝对密度为1012~1013cm-3;发现离喷嘴口越远,OH自由基和O原子密度越低。然而,即使距离喷嘴口数cm的地方,仍然存在大量的OH自由基和O原子;OH自由基和O原子的密度随激励频率和脉冲电压幅值的增加而升高,随H_2O含量和O_2含量的升高而出现先增大后减小的趋势。其中,当氦气中H_2O含量为0.012%时,OH自由基密度达到最大值。当氦气中O2含量为0.5%时,O原子密度达到最大值。本文研究为调控和优化低温等离子体射流中OH自由基和O原子密度提供重要科学依据。

关键词：大气压低温等离子体射流激光诱导荧光活性粒子等离子体医学 OH自由基 O原子等离子体活性

预电离大气压低温等离子体射流及其在表面清洗中的应用

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高电压技术 2012年第7期38卷 1682-1689页

作者：金英钱牧扬任春生王德真大连理工大学物理与光电工程学院大连116023

具有高化学活性的大气压放电低温等离子体射流具有潜在的应用价值。为此,介绍了一种利用预电离办法产生Ar/O2等离子体大气压低温射流及其在表面油污清洗中的应用。采用针电极放电等离子体作为预电离源,为射流介质阻挡放电(DBD)提供种子... 详细信息

具有高化学活性的大气压放电低温等离子体射流具有潜在的应用价值。为此,介绍了一种利用预电离办法产生Ar/O2等离子体大气压低温射流及其在表面油污清洗中的应用。采用针电极放电等离子体作为预电离源,为射流介质阻挡放电(DBD)提供种子电子,使得射流DBD的击穿与维持电压得以降低,即使在氧气与氩气体积比高达6%时,也可以产生均匀稳定的放电模式。采用光纤温度传感器检测得到放电等离子体气体温度在390～440K,而Boltzmann斜率法计算得到的电子激发温度为4640K,通过示踪元素法计算得到氧原子数密度在1017 cm-3量级。将该射流应用到玻璃表面油污清洗,最大清洗速率可达0.1mm/s。所以预电离技术可以产生具有高化学活性的均匀放电的大气压低温等离子体射流,该射流在表面油污清洗中具有较高效率。

关键词：大气压低温等离子体射流化学活性预电离电子数密度氧原子数密度表面清洗

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大气压低温等离子体射流特性的研究

大气压低温等离子体射流特性的研究

作者：俞永波东南大学

学位级别：硕士

大气压低温等离子体射流是近年来兴起的一种新型的等离子体技术,是利用流场和电场的作用,使放电区域产生的等离子体从管口喷出,并在周围的大气中形成定向的流动及进一步的放电。由于射流具有宏观温度低,活性粒子浓度高,装置简单容易操... 详细信息

大气压低温等离子体射流是近年来兴起的一种新型的等离子体技术,是利用流场和电场的作用,使放电区域产生的等离子体从管口喷出,并在周围的大气中形成定向的流动及进一步的放电。由于射流具有宏观温度低,活性粒子浓度高,装置简单容易操作等优点,因此在环境保护,材料改性,以及生物医学等领域具有广阔的应用前景,受到国内外学者的广泛关注和研究。本文以正弦电压驱动的Ar射流和Ne射流为研究对象,运用各种光电探测手段对射流的特性、射流的调控控制以及射流的相关应用进行了细致的研究。首先,研究了Ne,Ar两种射流的长度、温度、光谱、放电波形等基本特性。研究结果表明：外加电压的增加会导致射流长度的增加,但当电压较大时,由于空气的影响以及放电对射流的扰动,射流的长度增加缓慢甚至变短。射流的宏观温度接近室温,电子激发温度小于1.5×10。K,并且它们均随着外加电压的增加而增加。射流的光谱包含工作气体和空气两类谱线,并且谱线的相对强度在不同放电阶段,不同位置会有差异;结合射流的图像、工作气体的摩尔分数分布等,研究了射流内部的物质作用以及和空气之间的交互影响,发现Ar各谱线强度的不同衰减速率以及射流中OH自由基谱线的产生及减弱的原因,都和空气参与放电有关。正弦高压驱动下,射流的产生是一种多脉冲放电,并且在电压的正半周期和负半周期放电大致相当无明显不同。其次,研究了脉冲调制对射流的作用。研究结果表明增加调制脉冲,射流的长度基本保持不变或变化微弱,而射流中主要粒子的强度均随着调制占空比的增加线性增强：但随着调制频率的增加,Ar射流和Ne射流的表现不同。脉冲调制,特别是调制占空比可以在射流长度保持不变的情况下,线性调控射流中的活性粒子数,为等离子体射流的可控应用提供了一定的发展空间。最后,对实验中产生的等离子体射流进行了相关的应用尝试,发现射流可以有效的增加材料表面的亲水性,不同的材料和不同位置的射流处理,具有不同的最佳处理时间。

关键词：大气压低温等离子体射流射流长度温度光谱放电波形脉冲调制

基于大气压低温等离子射流处理的材料亲水性实验教学研究

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实验技术与管理 2015年第12期32卷 57-59,62页

作者：钱沐杨吕燕马鹏江远辉刘三秋王震东龚江宏南昌大学物理系江西南昌330031 清华大学材料科学与工程学院北京100084

通过大气压下低温等离子体射流对材料表面进行处理,可以极大地提高材料表面的亲水性。该方法有别于传统的共混、表面接枝和界面聚合等方法对膜材料亲水性改性,利用悬浮电极射流源产生的等离子体化学活性强、气体温度低,而且操作简单、... 详细信息

通过大气压下低温等离子体射流对材料表面进行处理,可以极大地提高材料表面的亲水性。该方法有别于传统的共混、表面接枝和界面聚合等方法对膜材料亲水性改性,利用悬浮电极射流源产生的等离子体化学活性强、气体温度低,而且操作简单、成本低廉。通过水接触角测量仪测量射流处理前后材料表面的水接触角,从而表征材料表面亲水性改性。该实验可以吸引学生的注意力,帮助学生加深了解材料及物理等交叉学科基本知识,培养学生运用材料物理基础理论知识和实验技能进行材料研究开发的基本能力,可为中国大学材料及物理相关专业的本科实验教学提供参考和启示。

关键词：材料表面亲水性改性大气压低温等离子体射流大学实验教学

大气压介质阻挡放电等离子体中温度频率依赖性的研究

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大气压介质阻挡放电等离子体中温度频率依赖性的研究

作者：萨碧娜（Dynich Sabina）大连理工大学

学位级别：硕士

本文研究重点是在不同气体情况下,描述介质阻挡放电（DBD）产生的大气压低温等离子体的温度随交流电源输出频率的变化。在文献综述中介绍了低温等离子体研究的主要方向。在大气压空气中工作的等离子体源具有许多优点,例如他们不需要复... 详细信息

本文研究重点是在不同气体情况下,描述介质阻挡放电（DBD）产生的大气压低温等离子体的温度随交流电源输出频率的变化。在文献综述中介绍了低温等离子体研究的主要方向。在大气压空气中工作的等离子体源具有许多优点,例如他们不需要复杂昂贵的真空设备等,因此已在工业上得到了广泛的应用而在医学上成为有前途的治疗技术。然而,为了满足医疗目的,等离子体中气体温度应该不超过42°C,并且等离子体本身应具有很强的化学活性。因此必须深入地研究影响描述等离子体的温度（电子温度和气体平动温度,下文简称为气体温度）的因素。然而,文献分析表明迄今电源频率对描述低温DBD等离子体的温度的影响没有得到充分的研究,而且几乎没进行过对大气压条件下外加交流频率对这些温度影响的研究。本文使用光学发射光谱法对介质阻挡放电发生器产生等离子体中电子温度和气体温度进行系统诊断。本文的研究对象是大气压空气介质阻挡放电和以氩气、氩气空气混合气和空气为工作气体的大气压介质阻挡放电等离子体射流。本文使用交流电源激励等离子体,研究电压范围为4.4 kV.5 kV。在不同的交流电源频率条件下,进行了交流频率对大气压氩气和氩气/空气等离子体射流中电子、气体和转动温度影响的研究。研究频率范围是9.7 kHz3.5 kHz。结果表明,工作气体为氩作时,得到的电子温度、转动温度和气体温度分别为1460 K750 K,360 K30 K和310 K23 K。工作气体为氩-空气混合气时,得到的电子温度,转动温度和气体温度范围为2620 K110 K,435～490 K和335 K59 K。实验表明,所有的温度随交流等离子体电源频率的增加而升高。另外,本文研究大气压下获得空气低温等离子体的可能性。大气压空气低温等离子体是通过激励介质阻挡放电交流电源的输出频率降低到9.7 kHz而得到的。采用的方法使DBD的气体温度降低几乎到实验室里空气温度。在这种情况下,臭氧的形成伴随着稳定介质阻挡放电的产生。可以将获得的结果用于美容和治疗目的,作为改善人体皮肤臭氧疗法的一部分。研究表明,为了扩展低温等离子体的实际应用范围,包括医学上的应用,需要再进一步开展在不同工作气体情况下和更宽频率范围内外加交流频率对描述大气压介质阻挡放电产生的低温等离子体的温度影响的研究。

关键词：大气压低温等离子体射流介质阻挡放电发射光谱诊断电子温度转动温度

不同流速下大气压氦气等离子体射流二维数值模拟研究

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不同流速下大气压氦气等离子体射流二维数值模拟研究

作者：温庆林大连理工大学

学位级别：硕士

近年来,大气压低温等离子体射流由于其独特的优势而成为等离子体领域的一个研究热点。等离子体射流源通常以惰性气体为工作气体,在高电压的驱动下首先在腔室内产生等离子体,然后在电场和气流等因素的作用下喷射到空气中。与其他等离子... 详细信息

近年来,大气压低温等离子体射流由于其独特的优势而成为等离子体领域的一个研究热点。等离子体射流源通常以惰性气体为工作气体,在高电压的驱动下首先在腔室内产生等离子体,然后在电场和气流等因素的作用下喷射到空气中。与其他等离子体源相比,大气压等离子体射流的关键特征是它不受放电间隙尺寸的限制,可以在开放空间传播,而且高压放电区域和材料处理区域分离,不仅降低了被处理靶材对放电行为的影响,同时也提高了应用安全性。这些特点使得大气压等离子体射流在材料处理、环境工程、生物医学等领域具有极大的应用前景。目前,虽然国内外学者对大气压等离子体射流的产生及传播特性已经进行了大量的研究,但是仍有许多方面有待于进一步探究。气体流速决定工作气体的传播模式及在空气中分布状态,因而直接影响等离子体射流传播特性及射流的稳定性,本文基于二维等离子体流体模型和中性气体流体动力学模型,对环电极结构、脉冲驱动的大气压氦气等离子体射流进行了模拟,详细研究了层流状态和湍流状态的等离子体射流传播特性及等离子体射流的稳定性问题,具体内容如下:在论文的第三章,基于二维轴对称流体模型和中性气体流体动力学模型,对层流状态下,大气压氦气等离子体射流的产生和传播过程,以及中性气体的输运过程进行了模拟研究。重点研究了气流速度对等离子体射流传播特性的影响,以及产生这些影响的内在原因。模拟结果表明,在层流状态下,等离子体射流呈现出稳定的轴对称结构,射流半径随射流的传播呈现减小趋势。随气流速度的增大等离子体射流传播长度线性增大。产生这些行为的主要原因是由于放电空间氦的摩尔分数分布随气流速度的改变发生了相应的变化。在层流状态,等离子体射流产生的各种活性粒子密度在射流传播中呈现出稳定的环形中空结构,而且亚稳态粒子He和N的密度远高于其他带电粒子。在模拟条件下,驱动电压的增加并不影响层流状态等离子体射流的稳定结构。电压越高,等离子体射流的传播速度越大,传播距离越远,同时等离子体射流产生的活性粒子密度越高。因此,为了得到传播距离更长的等离子体射流,在层流情况下,增大中性气体的流速和加大电压都是很有效的途径。当氦气流速度足够大时,氦气流从层流状态向湍流状态过渡。当工作气体处于湍流状态时等离子体射流的传播特性也会发生本质变化。在第四章,通过求解二维等离子体流体动力学方程,中性气体流体动力学方程并耦合k-ε湍流方程,对湍流状态下中性气体的流动过程及大气压低温等离子体射流产生和传播过程进行了的模拟研究。模拟结果显示,在湍流状态,随着射流的传播,等离子体射流的环形中空结构逐渐消失,并且在离开管口一段距离后无规则起伏,出现所谓的“蛇形”传播状态。与层流相比,射流长度缩短,产生的活性粒子密度减低。随着气体流速的增加,射流传播距离趋于减少,且射流不稳定状态的出现位置与介质管的距离缩短。不同电压下的模拟结果显示,射流传播长度随着电压的增大明显增加,但电压的增大也使等离子体射流变得更加不稳定,轴向和径向起伏都更加严重,放电的径向扩展也更明显。

关键词：大气压低温等离子体射流二维流体模型气流流速层流湍流

大气压等离子体射流中羟基与氧原子的诊断及优化

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大气压等离子体射流中羟基与氧原子的诊断及优化

作者：岳远富华中科技大学

学位级别：硕士

大气压低温等离子体射流可以在开放的空间产生接近室温的等离子体,结构简单,操作灵活,富含各类活性粒子,在材料领域,生物医学领域有可观的应用前景,受到了国内外学者的广泛关注。本文应用激光诱导荧光光谱技术,对大气压低温等离子体射... 详细信息

大气压低温等离子体射流可以在开放的空间产生接近室温的等离子体,结构简单,操作灵活,富含各类活性粒子,在材料领域,生物医学领域有可观的应用前景,受到了国内外学者的广泛关注。本文应用激光诱导荧光光谱技术,对大气压低温等离子体射流中产生的两种重要的活性氧基团(羟基,氧原子)进行了诊断,研究了荧光标定方法,密度分布特性,时空演变规律等内容,并提出若干优化密度的手段。本论文的主要内容如下:1.采用高时空分辨的单光子吸收激光诱导荧光技术研究等离子射流中羟基(OH)的二维密度分布。采用动态衰减化学模型标定等离子体射流中OH绝对密度;发现了OH自由基的环形特性分布;研究了气流对OH自由基环形特性的影响;研究了OH自由基密度受放电和气流参数的影响及其时空演变特性;提出了采用多环的结构优化羟基密度的方法并应用生物灭菌实验佐证。2.采用高时空分辨的双光子吸收激光诱导荧光技术研究等离子体射流中氧原子(O)的密度分布。应用Xe在不放电的条件下比较相似跃迁过程实现绝对密度标定;首次发现了O原子的环形特性分布;研究了O原子密度受放电和气流参数的影响及其时空演变特性;研究了O原子的产生效率随电极距离的变化规律;提出了采用合适放电装置及种子气体浓度优化O原子密度的方法。3.总结了目前国际上常用的五类等离子体射流源,并就其活性氧基团(OH自由基/O原子)产生特性进行了研究;研究了标准条件下各类等离子体射流中OH自由基及O原子的绝对密度分布;探究了各类等离子体射流装置活性粒子产生效率与驱动源参数和气体组分的关系;发现采用裸针电极结构和双环电极结构的等离子体射流可以更高效的产生羟基与氧原子,为等离子体射流的应用提供了指导。

关键词：大气压低温等离子体射流激光诱导荧光光谱羟基氧原子等离子体射流源

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低温等离子体射流的流体和放电特性研究

低温等离子体射流的流体和放电特性研究

作者：户玎岚东南大学

学位级别：硕士

大气压低温等离子体射流是近年来国内外在等离子体科学研究领域的一个热点。它能在大气压中产生,设备投资少,射流宏观温度低,能产生较高浓度的活性粒子,在环境工程、材料处理、生物医学等各个领域都具有广泛的应用前景,引起了人们的密... 详细信息

大气压低温等离子体射流是近年来国内外在等离子体科学研究领域的一个热点。它能在大气压中产生,设备投资少,射流宏观温度低,能产生较高浓度的活性粒子,在环境工程、材料处理、生物医学等各个领域都具有广泛的应用前景,引起了人们的密切关注。但在等离子体射流的相互作用、掺杂气体提高活性成分等方面还需进一步研究。本文从数值模拟和实验两方面对射流的流体和放电特性进行了研究。本文首先基于放电和流体模型利用Comsol和Fluent等仿真软件建立了射流器件的仿真模型,数值模拟了电极结构对初始电场的影响,层流和湍流状态下Ar的速度分布及摩尔分布,以及阵列单元间距对射流的影响。模拟结果表明：电极的位置及长度对于初始电场有较大的影响;当流动处于层流状态时,流速的增加有利于射流向前传播。当流动处于湍流状态时,流动处于不稳定状态,导致射流长度变短;射流器件中针电极的存在使得流体的总体速度和摩尔分布都变小,主要影响了对称轴上的速度分布,远离对称轴之后,针电极对流体分布基本没有影响。随着射流单元间间距的增大,喷射气体间的相互作用逐渐减小。其次本文基于正弦交流激励以及介质阻挡放电方式在大气环境下产生了稳定的Ar等离子体射流,并在其中掺杂了少量的H2O、O2,利用各种光电探测手段对产生的大气压低温等离子体射流的长度、温度、光谱等基本特性进行了全面的研究和对比,并在此基础上对其进行了一维和二维方向上的扩展,形成阵列等离子体。实验结果表明：在Ar中掺杂H2O后使得起始放电电压降低,射流长度增加,射流的宏观温度降低,光谱强度明显减弱;在Ar中掺杂O2时,掺杂0.5%的O2促进了射流的向前推进,使得射流长度稍有增长;掺杂1%的O2使得射流长度在变化上呈现一定的随机性,射流宏观温度明显降低;O2的加入使得OH(309nm)的光谱强度明显减弱。本文对阵列等离子体也进行了尝试,设计的一维二维射流阵列都可以产生稳定的等离子体射流。

关键词：大气压低温等离子体射流流体特性放电特性掺杂阵列