[论文解读] Experimental analysis of DBD plasma jet properties using different gases and two kinds of transfer plate

Fellype do Nascimento, M. Machida+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Plasma Diagnostics and Applications参考文献 28被引用 8

一句话总结

本研究通过实验研究了使用氩气、氦气、氮气及其与水蒸气混合物的介质阻挡放电（DBD）等离子体喷射，比较了导电与绝缘传输板对等离子体特性的影响。研究发现，亚稳态氦原子显著增强了对氮分子的能量传递，在氦等离子体中主导了振动态温度；而在氩和氮等离子体中，电子-N2 碰撞则控制着 Tvib。

ABSTRACT

Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma jets has been studied extensively in recent years because of its wide range of applications. DBD plasmas can be produced using many different gases and can be applied to a broad variety of surfaces and substrates. In this work, we provide a comparison of DBD plasmas generated using argon (Ar), helium (He) and nitrogen (N2), as well as their mixtures with water vapor in order to know how some plasma properties are affected by the use of different gases. All plasmas were studied in two different conditions, using a transfer plate made of a conductive material and using a transfer plate made of an insulating one. We observed that the processes of excitation and ionization of nitrogen molecules by direct collisions with Ar or He are more evident and significant in He plasmas, which means that He atoms in metastable states have greater ability to transfer energy to molecules of nitrogen in the plasma. The collisions of He atoms in metastable states with N2 molecules determine the vibrational temperature (Tvib) values in He plasmas, while in Ar and N2 plasmas the Tvib values are determined mainly by collisions of electrons with N2 molecules.

研究动机与目标

• 理解不同气体（Ar、He、N2）及其与水蒸气的混合物如何影响 DBD 等离子体喷射的特性。
• 研究传输板材料（导电与绝缘）对等离子体特性的影响。
• 确定在不同类型的等离子体中，导致氮分子振动态激发的主要能量传递机制。
• 比较亚稳态氦原子与电子碰撞在不同气体放电中对振动态温度（Tvib）的决定作用。

提出的方法

• 通过氩气、氦气、氮气及与水蒸气的混合气体实验生成 DBD 等离子体喷射。
• 采用两种类型的传输板：一种为导电（金属）板，另一种为绝缘（介质）板，以调节等离子体-表面相互作用。
• 通过光学发射光谱法测量并分析等离子体特性，包括振动态温度（Tvib）。
• 通过比较不同气体和放电条件下 Tvib 的变化趋势，识别主导激发机制。
• 分析涉及亚稳态氦原子和电子撞击激发 N2 分子的能量传递路径。
• 通过分析气体组成与板材料对等离子体行为的影响，分离出关键的物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同气体（Ar、He、N2）及其与水蒸气的混合物如何影响 DBD 等离子体喷射中的振动态温度（Tvib）？
• RQ2 在等离子体中，亚稳态氦原子在向氮分子传递能量中起什么作用？
• RQ3 选择导电或绝缘传输板材料如何影响等离子体特性与激发机制？
• RQ4 在 He、Ar 和 N2 等离子体中，主要负责 N2 振动态激发的粒子种类是亚稳态 He 原子还是电子？
• RQ5 He 等离子体（以亚稳态驱动）与 Ar/N2 等离子体（以电子驱动）中的主导激发机制有何不同？

主要发现

• 在基于氦的等离子体中，亚稳态氦原子在激发氮分子方面起主导作用，导致更高的振动态温度。
• 在氦等离子体中，振动态温度（Tvib）主要由亚稳态 He 原子与 N2 分子的碰撞决定。
• 在氩和氮等离子体中，Tvib 主要由电子撞击激发 N2 分子决定，而非亚稳态物种。
• 使用导电传输板会改变等离子体动力学，但基本激发机制仍取决于气体类型。
• 由于亚稳态 He 原子高效传递能量，氮分子在氦等离子体中表现出更强的振动态激发。
• 与水蒸气的气体混合物会改变等离子体行为，但主要激发路径仍与主导气体种类保持一致。