[论文解读] Spectroscopic of atmospheric pressure air jet plasma in transverses arc discharge

Valeriy Chernyak, V. V. Naumov+1 more|ArXiv.org|Oct 28, 2004

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 4被引用 6

一句话总结

本研究通过光学发射光谱法研究了横向直流电弧放电产生的大气压空气射流等离子体。通过分析来自 N、O、H、NO、N₂、O₂、OH、CO 和 CN 的发射线和带状光谱，作者测定了电子（Texc）、振动态（Tv）和转动态（Tr）的激发温度，揭示了等离子体在时空演化过程中存在强烈的非局部热动平衡（non-LTE）行为及显著的非热效应。

ABSTRACT

Spectroscopic characterization of a specific case of the atmospheric pressure air jet plasma in the transverse cw dc arc discharge of high voltage was done. Within the spectrum of wavelengths from 200 to 1100 nm all remarkable emissions were monitored, and all excited atomic lines of N, O, H and molecular bands of NO, N2, O2, OH, CO, CN were identified. Using relative intensities of analytical CuI lines 510.5, 515.3, 521.8 nm (the product of electrode emission) and N2 2+ -system band at 337.1 nm (the dominating component of plasma-forming gas), the temperature of electronic excitation of free atoms, Texc, and the temperatures of excitation of vibrational and rotational states of molecules, TV and TR, were determined. It was found that there is no local LTE in this arc discharge air plasma during its space/time evolution, and effects of strong non-izothermality have a place in this case.

研究动机与目标

• 表征由横向直流电弧放电产生的大气压空气射流等离子体的光谱特性。
• 识别并分析 200–1100 nm 波段范围内的发射线和分子带。
• 利用校准的发射线测定电子、振动态和转动态的激发温度。
• 评估在此高电压、大气压等离子体系统中局部热动平衡（LTE）假设的有效性。
• 研究等离子体放电过程中非热效应的时空演化特性。

提出的方法

• 在 200–1100 nm 波长范围内进行光学发射光谱（OES）测量，以捕获原子和分子的发射光谱。
• 由于铜离子（CuI）在 510.5、515.3 和 521.8 nm 处的特征发射线来源于电极材料，因此用作内部温度参考。
• 以 N₂ 2+ 第二正系带在 337.1 nm 处的发射作为等离子体生成气体激发的主要参考。
• 通过选定光谱线和带的相对强度计算激发温度（Texc、Tv、Tr）。
• 通过比较 Texc、Tv 和 Tr 来评估非-LTE 条件，发现其差异与 LTE 假设不一致。
• 分析等离子体参数的时空演化，以评估动态非热行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在横向直流电弧放电产生的大气压空气射流等离子体中，主要存在的原子和分子物种是什么？
• RQ2 在此等离子体系统中，激发温度（电子、振动态、转动态）之间的偏差程度如何？
• RQ3 在大气压条件下，横向电弧放电等离子体中的局部热动平衡（LTE）是否成立？
• RQ4 等离子体的空间与时间动力学如何影响所观测到的非热效应？
• RQ5 电极材料发射（如 CuI 线）在等离子体温度诊断中起什么作用？

主要发现

• 在 200–1100 nm 光谱范围内，识别出 N、O 和 H 的原子发射线，以及 NO、N₂、O₂、OH、CO 和 CN 的分子带。
• 利用 510.5、515.3 和 521.8 nm 处的 CuI 线作为参考，测得的 Texc 值与高能电子激发一致。
• 337.1 nm 处的 N₂ 2+ 第二正系带作为主要参考，用于分子激发，实现了 Tv 和 Tr 的测定。
• 观察到 Texc、Tv 和 Tr 之间存在显著差异，表明等离子体中存在强烈的非-LTE 行为。
• 通过缺乏局部热动平衡状态，证实了非热效应，尤其是在放电的时空演化过程中。
• 等离子体表现出明显的非等温性，电子、振动态和转动态之间存在显著的温度梯度。