[论文解读] Characterization of dielectric barrier discharge in air applying current measurement, numerical simulation and emission spectroscopy

Priyadarshini Rajasekaran, Nikita Bibinov+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2012

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过结合电流测量、数值模拟和光学发射光谱（OES）的方法，表征了空气中的大气压介质阻挡放电（DBD）。通过分析氮气发射光谱（380–406 nm），作者确定了电场强度和电子密度，从而计算出氮气和氧气的离解速率，为动力学建模提供了多方法诊断框架。

ABSTRACT

Dielectric barrier discharge (DBD) in air is characterized applying current measurement, numerical simulation and optical emission spectroscopy (OES). For OES, a non-calibrated spectrometer is used. This diagnostic method is applicable when cross-sectional area of the active plasma volume and current density can be determined. The nitrogen emission in the spectral range of 380 nm- 406 nm is used for OES diagnostics. Electric field in the active plasma volume is determined applying the measured spectrum, well-known Frank-Condon factors for nitrogen transitions and numerically- simulated electron distribution functions. The measured electric current density is used for determination of electron density in plasma. Using the determined plasma parameters, the dissociation rate of nitrogen and oxygen in active plasma volume are calculated, which can be used by simulation of the chemical kinetics.

研究动机与目标

• 开发一种全面的诊断方法，用于表征环境空气中介质阻挡放电（DBD）的特性。
• 利用实验和模拟数据，确定电场强度和电子密度等关键等离子体参数。
• 量化活性等离子体区域中氮气和氧气的离解速率，用于化学动力学模拟。
• 验证电流测量、OES和数值模拟结果在表征同一等离子体状态时的一致性。
• 建立一种利用可及的光学和电学诊断手段诊断DBD中非热等离子体参数的框架。

提出的方法

• 使用非校准光谱仪对380–406 nm波段的氮气发射进行光学发射光谱（OES）测量。
• 利用已知的氮气跃迁Frank-Condon因子，从测得的OES光谱计算等离子体中的电场强度。
• 通过标准等离子体诊断模型，从测得的电流密度推导出电子密度。
• 利用电子分布函数的数值模拟，支持OES数据的解释和电场强度的估计。
• 结合实验电流数据、OES和模拟的电子分布，实现了对等离子体参数的一致性确定。
• 利用推导出的电子密度和电场强度值，计算N2和O2的离解速率，用于动力学建模应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从空气DBD活性等离子体区域的光学发射光谱中确定电场强度？
• RQ2 DBD等离子体中的电子密度是多少？它如何从电流测量中推导得出？
• RQ3 OES、电流测量和数值模拟结果在表征同一等离子体状态时的一致性程度如何？
• RQ4 在DBD条件下，活性等离子体区域中氮气和氧气分子的离解速率是多少？
• RQ5 结合OES、电流测量和模拟的多诊断方法能否为等离子体化学动力学建模提供可靠输入？

主要发现

• 利用380–406 nm波段的氮气发射光谱和Frank-Condon因子，估算了活性等离子体区域的电场强度，其结果与基于仿真的预期值一致。
• 通过测得的电流密度计算出电子密度，提供了等离子体电子浓度的定量估计。
• 尽管使用了非校准光谱仪，氮气发射光谱仍成功用于推断等离子体参数。
• 该综合诊断方法实现了对等离子体中N2和O2分子离解速率的计算，这对动力学建模至关重要。
• OES推导的电场强度估计值与数值模拟的电子分布函数之间表现出良好一致性，验证了多方法诊断的有效性。
• 本研究证明，可及的诊断手段——电流测量、OES和模拟——可有效结合，用于表征空气DBD中的关键等离子体参数。