大气压非平衡等离子体诱导成核效应研究

Ion induced nucleation (IIN) has been proven to be an important source of aerosol nuclei in atmosphere. It offers a new pathway for the utilization of atmospheric water resources. Most existing laboratory IIN researches use radioactive substances, high energy particle beams, or fetosecond lasers as charged particle sources. These sources are usually expensive and difficult to operate. The current project proposes, for the first time, to use atmospheric pressure non-equilibrium plasma to generate charged particles. It has the advantage of low cost and high reliability. Our earlier experiments have shown that atmospheric non-equilibrium plasma is effective in inducing the nucleation of water droplets in cloud chamber. The current proposal intends to first study the diffusion and spatial distribution of charged particles produced under different discharge parameters. Secondly, the influence of charged particles with different density on the nucleation rate of water droplets in cloud chamber will be investigated, and the optimal charged particle density will be determined. Furthermore, the humidity and temperature window in which IIN will effectively form the critical nuclei will be studied. The proposed research will lead to a better understanding of IIN, which is essential for the development and optimization of IIN-based technology for future applications.

离子诱导成核已被证明是大气中气溶胶凝结核形成的重要来源。基于离子诱导成核的催化凝结技术为大气水资源的开发提供了全新的途径。目前国际主流离子诱导成核相关研究主要利用放射性物质、高能粒子束或飞秒激光作为带电粒子源，其设备复杂昂贵，且对防护要求较高，不利于实验的开展。本课题首次提出利用大气压非平衡等离子体为带电粒子源进行等离子体诱导成核的探索性研究。在前期已验证大气压非平衡等离子体诱导成核有效性的基础上，计划在不同放电形式和放电参数下，研究带电粒子密度与其空间扩散分布之间的内在规律，在人工气候室可控条件下定量研究不同参数下带电粒子，尤其是高密度带电粒子对气溶胶成核速率的影响，确定等离子体诱导成核的最优带电粒子密度值，并探索在该最优密度下可有效诱导形成粒径大于临界半径气溶胶的温湿度窗口。上述研究将为离子体诱导成核的应用提供理论指导。

离子诱导成核已被证明是大气中气溶胶凝结核形成的重要来源。基于离子诱导成核的催化凝结技术为大气水资源的开发提供了全新的途径。本项目首次提出利用大气压非平衡等离子体为带电粒子源进行等离子体诱导成核的探索性研究。通过自行搭建的人工气候室，实现了温度-40℃-100℃可控，温度控制精度±0.5℃，降温速率1-2℃/分钟，升温速率2-3℃/分钟，湿度范围0-98%RH可控，内部气压1-10^5Pa可控，并测量了由等离子体放电产生的带电粒子在气候室内的分布情况。结果表明，在距离放电20cm的位置，带电粒子密度可达1.2*10^6/cm3；随着距离的增加，带电粒子密度迅速衰减。当到达气候室边缘时（距离放电位置50cm），带电粒子密度约为1*10^5/cm3。以人工气候室为基础，搭建了基于电晕放电的离子催化凝结实验平台。结果表明，在过饱和条件下，电晕放电可有效诱导液滴的凝聚，形成肉眼可见的雾滴。在亚饱和条件下，在带电粒子作用下同样可促进微液滴的凝聚，形成10-30微米的云滴。为进一步探索由电晕放电引起的离子诱导成核的机理，研究了在不同放电等级和条件下微液滴的荷电情况，提出了新的修正扩散模型以解释亚微米直径下液滴荷电的动力学特性。本项目证明了利用大气压电晕放电在亚饱和条件下产生离子诱导成核效应的有效性，通过低温等离子体物理与大气物理的交叉，为离子诱导成核这一重要科学现象的实验室定量研究提供创新性的研究手段，也为开发大气水资源新技术的研发提供新的思路和科学依据，