大气压脉冲调制表面波等离子体射流非平衡态控制及特性研究

In this project, a pulse-modulated microwave surface wave plasma jet of high concentration of reactive radicals is excited with aid of the preionization by low temperature plasma jet at atmospheric pressure and the study scheme of controlling and describing of nonequilibrium state of surface wave plasma jet has been proposed systematically. By means of joint action of microwave and medium frequency power supplies, pulse modulation of microwave power supply, and mixture of inert gases into the carrier gas, the nonequilibrium state of plasma jet is capable to be varied intentionally. With respect to the temperature characteristics, the related energy level population, and the influence of metastable and resonant states on nonequilibrium state, a temporally resolved spectroscopy is employed to diagnose its transient processes in time domain. The mechanism of ionizing wave propagating along and exciting the suface wave plasma discharge is investigated experimentally with combination of high speed camera with Boxcar technique for electronic signal processing.

本项目提出了通过大气压低温等离子体射流预电离激发的方法获得脉冲调制的微波增强了的高密度活性粒子的表面波等离子体射流的创新思路，并就微波增强的表面波等离子体射流的非平衡态的控制和特性分析提出了系统的研究方案。提出了利用微波功率源和中频功率源协同作用、对微波功率脉冲调制、以及在工作气体中掺杂惰性气体等措施来实现相对独立的改变等离子体中基本参量达到对非平衡态的控制；并针对所产生的脉冲调制的表面波等离子体射流在其温度特性、相关能级上粒子数分布、以及亚稳态对放电特性的影响等涉及等离子体非平衡态特性的基础性问题上，就其瞬态时间特征的研究提出了时间分辨发射光谱实验诊断的方案；提出了通过高速摄影技术、电子信号取样积分技术以及时间光谱技术对脉冲调制表面波等离子体中激发的电离波传输特性进行研究的思路。

在本项目中我们通过大气压低温等离子体射流预电离激发的方法获得脉冲调制的微波增强了的高密度活性粒子的表面波等离子体射流，并就微波增强的表面波等离子体射流的非平衡态的控制和特性分析开展了系统的研究。我们完成了等离子体源和诊断系统的搭建并对微波表面波等离子体耦合波导进行了优化设计，通过耦合波导的参数调整实现了两种工作模式，等离子体炬和表面波等离子体；研究了表面波等离子体中电离波前传播特性，通过高速摄像和光电流波形测量技术相结合的技术手段测量了表面波等离子体电离波前随着外控参数的传播规律，并从机理上给予了理论分析；通过时间空间分辨发射光谱诊断研究了脉冲调制表面波等离子体的时空演化规律，考察了在微波和中频驱动协同作用下等离子体电子温度，电子密度，激发温度和气体温度，以及特征谱线随时间的变化规律，证实了电子温度可被中频电源独立调制以及电子密度随吸收的微波功率正比增加的规律，并通过实验验证了我们在前期工作中为解释所观察到的特征谱线发光强度在脉冲调制下的变化规律而提出的物理机制；同时，我们对等离子体基本参数的发射光谱诊断方法进行了系统深入的探究，通过对发射光谱特征谱线的优化选择，对氮等离子体气体温度的测量的精度提到高了10%以内，同时对氮气和氩气混合气体放电中的各种展宽的理论公式进行了理论推导，修正了文献中近似采用的半经验公式；另外，对不同气体组分，如活性气体和惰性气体的混合，的大气压微波等离子体特性进行了发射光谱的诊断研究，我们考察了氢气对氮气微波等离子体放电的影响，发现并观察到了氢气分子对氮气亚稳态的淬灭效果，还有，我们通过改变气体比例，气体流量，以及输入功率对氩气和氮气混合气体的放电特征进行了研究，发现了氩气的亚稳态和氮分子的C态的强烈耦合作用对混合气体的气体温度，等离子体密度，和放电形态均有影响。