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
算的起始点。OEfmJz烟图1-2实验装置示意图4.1气流速率的影响射流气体的流动状态从空气动力学角度可以用层流和瑞流两种不种的模式进行分析。层流发生在气流速率较小的情况下，此时气流分层流动，各层之间黏滞力小，互不影响逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，即流，又称为乱流、扰流或紊流。气流引起端流后氩气出现摆动，向径向的扩散增多。这导致电离崩前方的氩气含量减少，空气含量增加。4.2电场强度的影响决定射流体长度的另一个因素是电离崩头的能量大小，而电离崩头的能量大小与电场强度及其分布密切相关，可以认为电离崩头从电场中吸收的能量越多，电离崩头的能量越大。外施电压和电极结构对于射流体长度的影响很大程度上是由于射流管内的电场强度及其分布所导致。实验中，电极结构均存在一个强电场区。氩气在强电场区经过碰撞电离形成流注，其中一部分被接地电极吸收而被检测到；另一部分随着气流喷出射流管，并汇聚成一个高密度、高能量的电离崩头，进一步电离其周围及前方的氩气，形成射流体。因此气流喷出的电离崩头的能量大小对射流体的长度有明显影响。4
4 算 的起始 点 。 4.1 气流速率的影响 射流气体 的流动状态从空气动力学角度可 以用层流和湍流两种不种的模式进 行分析 。 层流发生在气流速率较小的情况下，此 时气流分层流动 ，各层之 间黏 滞力小 ，互不影响；逐渐增加流速 ，流体的流线开始 出现波 浪 状 的摆 动 ，摆 动 的频 率 及 振 幅 随 流速 的增 加 而增加 ，称 为过 渡流 ；当流 速 增 加 到很 大 时 ，流线 不 再清楚可辨 ，流场 中有许 多小漩涡 ，层流被破坏，相邻 流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的 分速度产生，即湍流，又称为乱流、扰流或紊流 。气流引起湍流后氩气出现摆 动 ， 向径 向 的扩 散 增 多 。这 导致电离崩 前方的氩气含量减少，空气含量增 加 。 4.2 电场强度的影 响 决 定射流体长度 的另 一个因素是电离崩头的能量大小 ，而电离崩头 的能量 大小与电场强度及其分布密切 相关 ，可 以认 为 电离 崩 头从 电场 中吸 收 的 能量越多 ，电离崩头的能量越大。外施 电压和电极结构对于射流体长度的影响很 大程度上是由于射流管内的电场 强度 及其分布所导致。 实验中，电极 结 构 均存 在 一 个强 电场区。氩气在强电场区经过碰撞电离 形成流注 ，其中一 部 分被接地电极吸收而被检测 到 ；另一部分随着气流喷出射 流管，并汇聚成一个高密度、高能量的电离崩 头 ，进 一步 电离 其周 围及前 方 的氩气 ，形成 射流体 。因此气流喷出的电离崩头的能量大小对射流体的长度有明 显影响。 图 1-2 实验装置示意图
4.3光谱诊断物体直接发光产生的光谱叫做发射光谱。处于激发态的原子或分子会自发地向基态弛豫，这时处于高能级的电子在向较低能级跃迁可能产生辐射，将多余的能量以光子的形式发射出去，形成光谱。要使原子或分子中处于基态的电子跃迁到较高能级就要供给能量，这个过程叫激发。大量处于不同激发态的原子／分子会发出各不相同的谱线，它们组成了发射光谱的全部谱线。由于产生的情况不同，发射光谱又可分为连续光谱和明线光谱：稀薄气体发射谱一般是由不连续的亮线组成，这种发射光谱又叫做明线光谱，由原子产生的明线光谱也叫做原子光谱固体或液体及高压气体的发射光谱，一般是由波长连续分布的光组成的，这种光谱叫做连续光谱。光栅光谱仪的工作原理光栅光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1-3所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。S3MM2-O图1-3光栅光谱仪内部基本机构示意图
5 4.3 光谱诊断 物体直接发光产生的光谱叫做发射光谱。 处于激发态的原子或分子会自发地向基态弛豫，这时处于高能级的电子在向较低 能级跃迁可能产生辐射，将多余的能量以光子的形式发射出去，形成光谱。要使原子 或分子中处于基态的电子跃迁到较高能级就要供给能量，这个过程叫激发。大量处于 不同激发态的原子／分子会发出各不相同的谱线，它们组成了发射光谱的全部谱线。 由于产生的情况不同，发射光谱又可分为连续光谱和明线光谱：稀薄气体发射谱一般 是由不连续的亮线组成，这种发射光谱又叫做明线光谱，由原子产生的明线光谱也叫 做原子光谱；固体或液体及高压气体的发射光谱，一般是由波长连续分布的光组成的， 这种光谱叫做连续光谱。 光栅光谱仪的工作原理 光栅光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光 谱测量中最常用的仪器，基本结构如图 1-3 所示。它由入射狭缝 S1、准直球面反射 镜 M1、光栅 G、聚焦球面反射镜 M2 以及输出狭缝 S2 构成。 图 1-3 光栅光谱仪内部基本机构示意图
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间距d称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差△s=d(sinα±sinβ)，α为入射角，β为衍射角，则可导出光栅方程：d(sinα±sinβ)=ma(1)光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来，入为入射光波长，m为衍射级次，取0±1±2等整数。式中的“±”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射α=0，光栅方程变为dsinβ=ma。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出：dβ-mdadcosβ(2)复色入射光进入狭缝S1后，经M1变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图1-4所示）：2dcosysinn1=2m(3)6
6 衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面 （可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射 的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间距 d 称为光栅常数， 通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅 衍射后，相邻刻线产生的光程差 ，α 为入射角，β 为衍射角， Δs dsin sin 则可导出光栅方程： dsin sin m （1） 光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数 d 联系起来，λ 为入射光波 长，m 为衍射级次，取 等整数。式中的 0,1,2, “ ” 号选取规则为：入射角和衍射 角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射 α=0，光 栅方程变为 。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性， d sin m 当入射角给定时，可以由光栅方程导出： d cos m d d （2） 复色入射光进入狭缝 S1 后，经 M1 变成复色平行光照射到光栅 G 上，经光栅色 散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2 将照射到它上面的某 一波长的光聚焦在出射狭缝 S2 上，再由 S2 后面的电光探测器记录该波长的光强度。 光栅 G 安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射 狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出 光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称 为光栅单色仪。 在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以 给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图 1-4 所示）： m （3） d 2 cos sin
其中，为光栅的旋转角度，为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说为一常数。转台衍射光栅入射图1-4光栅转动系统F
7 其中，η 为光栅的旋转角度，ψ 为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说 ψ 为一常数。 图 1-4 光栅转动系统 转台 衍 射 光 入 射 光 光栅
5实验内容与步骤1.按照实验设计连接实验仪器，请务必认真检查实验电路连接情况，确保实验人员人身安全及实验仪器安全；2.检查气路部分确保没有气体泄漏；3.开启高压气瓶开关（注意：先大阀后小阀），按照实验要求通过气体流量计调节气体流量；4.开启电源开关，将电源输出电压由零开始逐步调节至实验所需电压值；5.采用单变量法，分别调节气体流速及外施电压，并记录不同参数下射流的外观特点及长度；6.开启电源开关，将电源输出电压由零开始逐步调节至实验所需电压值，获得稳定放电状态；7.关闭功率源电源，将光谱仪探头靠近放电区域，启动光谱仪软件，设置曝光时间等参数；8.关闭室内灯光，采集暗室背景光谱信息；9.开启气阀，调节流量，开启功率源电源开关，采集放电情形下光谱信息：10.实验完毕，务必将电源输出电压调回至“零”；11.关闭气体（注意：先大阀后小阀）。6实验结果分析1.完成下表气体流速/ms：
8 5 实验内容与步骤 1.按照实验设计连接实验仪器，请务必认真检查实验电路连接情况，确 保实验人员人身安全及实验仪器安全； 2.检查气路部分确保没有气体泄漏； 3.开启高压气瓶开关（注意：先大阀后小阀），按照实验要求通过气体流量计调 节气体流量； 4.开启电源开关，将电源输出电压由零开始逐步调节至实验所需电压值； 5.采用单变量法，分别调节气体流速及外施电压，并记录不同参数下射流的外观 特点及长度； 6.开启电源开关，将电源输出电压由零开始逐步调节至实验所需电压值，获得稳 定放电状态； 7.关闭功率源电源，将光谱仪探头靠近放电区域，启动光谱仪软件，设置曝光时 间等参数； 8.关闭室内灯光，采集暗室背景光谱信息； 9.开启气阀，调节流量，开启功率源电源开关，采集放电情形下光谱信息； 10.实验完毕，务必将电源输出电压调回至“零”； 11.关闭气体（注意：先大阀后小阀）。 6 实验结果分析 1.完成下表 气体流速/m·s-1