基于光譜儀與iCMOS的等離子體特性診斷方法探討

技術介紹

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態宏觀體系，組分復雜的粒子在空間中自由移動碰撞，發出的電磁輻射譜覆蓋了從紅外到真空紫外波段的廣闊范圍[1]。這一特性反映了等離子體內部復雜的原子和分子過程，也為探究等離子體特性提供了理論依據。

利用等離子體光譜診斷技術可以觀察到激發態物種的光譜強度、活性物種的相對分布、震動溫度以及轉動溫度等關鍵參數。這些參數反映了等離子體內部物理和化學過程的動態平衡，在等離子體電子輸運過程及化學反應過程中發揮著重要作用[2]，也為優化等離子體技術、提高應用效果提供了重要理論指導。

產品應用

大氣壓高壓納秒脈沖DBD實驗裝置由納秒高壓脈沖電源、等離子體反應器及電極、發射光譜測量系統和配氣系統構成，示意圖如圖1所示。

圖1：高壓納秒脈沖DBD裝置示意圖

圖2：DBD氬氣放電發射光譜圖

圖3：DBD氬氣放電IsCMOS動畫

設置高壓脈沖電源參數為3kV，2kHz，500ns，Ar氣流速3L/min，DBD放電發射光譜如圖2所示，由N2(C3Πu-B3Σg)和大量的Ar原子線構成。其中N和O的譜線是由空氣擴散到工作氣體中造成的。N2(C3Πu-B3Σg)由亞穩態Ar的彭寧效應產生[3]。圖3中的放電動畫展示了等離子體在強電場和氣流作用下由高壓電極沿介質表面向地電極的發展過程。

圖4：DBD空氣放電電流電壓圖

圖5：DBD空氣放電發射光譜圖

圖6：DBD空氣放電IsCMOS圖像

設置高壓脈沖電源參數為8kV，2kHz，500ns，大氣壓空氣脈沖DBD放電電流電壓圖如圖4所示，觀察到兩個放電電流區間，分別是電壓脈沖上升沿的正峰和下降沿的負峰。其中，正電流的幅值遠高于負電流的幅值，負電流的出現是由于正放電過程中的電荷積累。由于放電回路中存在容性器件，在脈沖的第一個峰值結束后，放電存在多個納秒級的震蕩，持續一段時間后降至零點附近。發射光譜如圖5所示，由N2(C3Πu-B3Σg)、N2+(B2Σu-X2Σg)和N2(B3Σg-A3Σu+)構成。整個波長范圍內，光譜強度最高的譜線為337.1nm，氮氣的第二正帶系的譜線最清晰且光譜強度最高，這是由于氮氣亞穩態基團退激發產生的。圖6展示了一個脈沖周期內IsCMOS圖像變化。

引用文獻

[1]孫雨. 空氣中局部放電發射光譜特性研究_孫雨[D]. 沈陽工業大學, 2023[2]大氣壓氬氣_空氣針-環式介質阻擋放電發射光譜診斷_李政楷[J].[3]蘭宇丹,何立明,丁偉,等. 氬氣含量對空氣介質阻擋放電發射光譜的影響_蘭宇丹[J]. 光譜學與光譜分析, 2011, 31(04): 898-901.

作者簡介

李春博士

北京化工大學動力工程及工程熱物理專業在讀博士，北京化工大學英藍實驗室先進等離子體與智能裝備制造課題組，課題組研究方向包括等離子體放電結構研究，等離子體仿真模擬，等離子體實時診斷和等離子體多模態數據融合分析。

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