射频大气压放电中OH自由基发射光谱测量气体温度的研究

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射频(Radio Frequency, RF)大气压辉光放电(Atmospheric Pressure Glow Discharge, APGD)具有运行成本低、击穿电压低、活性粒子密度高等优点,因此,广泛应用于材料表面处理、薄膜沉积、杀菌消毒、生物医学等领域。在大气压放电中,电子与中性粒子频繁碰撞,气体温升效应非常严重。气体温度影响击穿电压、粒子密度、放电模式转变等放电特性。气体温度也是工业应用的一个重要参数。对热敏材料处理、活性生物组织进行治疗时,气体温度需要控制在一定的范围之内。目前,有多种测量气体温度的技术,主要分为两种测量方式:侵入式和非侵入式。在射频大气压放电中,一般利用激发态的发射光谱测量气体温度,这种方法优点非侵入式、简便、灵敏度高。尽管已有的RF APGD研究工作揭示了,随着放电功率增加,放电模式由α模式转变为γ模式之后,气体温度保持不变,但其结果存在问题。  本研究主要内容包括:⑴等离子体放电刚击穿时,放电系统内部存在温升效应,需要待其达到热平衡之后,进行光谱数据测量。待放电系统稳定之后,研究了ICCD不稳定性和曝光量对背景噪声的影响。研究结果表明:ICCD中的探测器制冷至-25摄氏度时,系统未达到热平衡,需要等待约70分钟至其内部系统达到热平衡。ICCD达到热平衡后,曝光量对背景噪声也有影响。曝光量对背景噪声的影响主要是暗电流引起的,初次测量需要进行约十五次曝光,有效的降低了曝光量对背景噪声的影响。⑵在射频大气压放电中,随着放电功率增加,OH自由基发射光谱峰值发生单调蓝移。进一步分析可知,这种移动不是仪器误差,而是随着放电功率增加造成的碰撞频移。本实验采用LIFBASE拟合软件计算气体温度。不计入碰撞频移时,分别采用了两种方式计算气体温度:只在最小功率进行波长修正和每个功率下都进行波长修正。两种计算结果都出现问题:随着放电功率增加,气体温度反而降低,放电模式由α模式转化为γ模式之后,随着放电功率增加,气体温度保持不变。计入碰撞频移后,反常现象消失,最佳拟合温度对应的Chi-square误差值变化小,放电模式由α模式转变为γ模式之后,随着放电功率增加,气体温度增加。两种结果比较表明,在射频大气压放电中,采用OH自由基发射光谱测量气体温度时,必须要考虑碰撞频移。利用Ar发射光谱的谱线展宽验证了放电转变为γ放电模式之后,气体温度随放电功率变化的物理变化规律。结果表明:放电转变为γ放电模式之后,Ar谱线依然加宽,验证气体温度确实增加。⑶在不同的进气方式(进气孔与电极板平行和进气孔与电极板垂直)时分别测量了RF APGD中的电压、电流波形和OH自由基发射光谱,计算了对应的间隙电压、传导电流和气体温度。结果发现:当进气孔与电极板垂直时,气体温度比较高,放电更容易转变为γ放电模式。当气体吹向放电时,气体温度降低。
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