[论文解读] Time-resolved OES of nanosecond pulsed discharges in N$_{2}$ and N$_{2}$/H$_{2}$O mixtures]{Time-resolved optical emission spectroscopy of nanosecond pulsed discharges in atmospheric pressure N$_{2}$ and N$_{2}$/H$_{2}$O mixtures

R M van der Horst, T. Verreycken+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2014

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 2被引用 67

一句话总结

本研究利用时间分辨光学发射光谱和瑞利散射，研究了大气压下氮气（N₂）及氮气/水汽（N₂/H₂O）混合物中的纳秒脉冲放电。研究揭示了电子密度高达4×10²⁴ m⁻³，气体温度在复合阶段达到750 K，并在复合阶段出现显著的电子产生，突显了亚稳态和振动态激发物种在脉冲后维持等离子体的关键作用。

ABSTRACT

In this contribution, nanosecond pulsed discharges in N$_{2}$ and N$_{2}$/0.9% H$_{2}$O at atmospheric pressure (at 300 K) are studied with time-resolved imaging, optical emission spectroscopy and Rayleigh scattering. A 170 ns high voltage pulse is applied across two pin-shaped electrodes at a frequency of 1 kHz. The discharge consists of three phases: an ignition phase, a spark phase and a recombination phase. During the ignition phase the emission is mainly caused by molecular nitrogen (N$_{2}$(C-B)). In the spark and recombination phase mainly atomic nitrogen emission is observed. The emission when H$_{2}$O is added is very similar, except the small contribution of H$_α$ and the intensity of the molecular N$_{2}$(C-B) emission is less.

研究动机与目标

• 测量在N₂和N₂/H₂O混合物中纳秒脉冲放电过程中的等离子体参数——电子密度和气体温度。
• 研究水蒸气（0.9%）对放电特性的影响，特别是对自由基形成和发射特征的影响。
• 通过采用多种诊断技术，解决先前文献中电子密度测量结果之间的矛盾。
• 理解亚稳态和振动态激发物种在复合阶段维持电子密度中的作用。
• 为未来在空气净化和燃烧增强中的应用建模，提供准确且时间分辨的等离子体动力学数据。

提出的方法

• 在大气压下，对间距为2 mm的钨针状电极施加170 ns高压脉冲（9 kV），重复频率为1 kHz。
• 时间分辨成像捕捉了三个阶段的演化：引弧阶段（无电流）、火花阶段（高电流）和复合阶段（放电后）。
• 光学发射光谱（OES）用于测量N₂（C-B）、原子N和Hα线的发射，通过斯塔克展宽推断电子密度。
• 瑞利散射用于测定气体温度，特别是在复合阶段。
• 电子密度通过746 nm处N I线的半高全宽（FWHM）以及含H₂O混合物中Hα线的展宽计算得出。
• 通过将N₂气泡通过水，引入水蒸气，使在饱和条件下达到0.9%的H₂O浓度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纯N₂与N₂/H₂O混合物中，纳秒脉冲放电的时间演化特性与发射特征有何不同？
• RQ2 在引弧、火花和复合阶段，电子密度与气体温度的时间分辨值分别是多少？
• RQ3 添加水蒸气在多大程度上影响电子密度、气体温度以及分子和原子氮的发射强度？
• RQ4 为何本研究中测得的电子密度高于以往研究的结果？不同诊断技术在准确性上如何比较？
• RQ5 复合阶段持续电子密度的来源是什么？亚稳态和振动态激发物种在此过程中起什么作用？

主要发现

• 放电经历三个明显阶段：引弧阶段（以N₂（C-B）发射为主）、火花阶段（以原子N发射为主）和复合阶段（残余发射与电子密度衰减）。
• 气体温度从引弧阶段的约350 K上升至放电开始后1 µs时的约750 K，该结果由瑞利散射测得。
• 在纯N₂和N₂/H₂O放电中，电子密度峰值均达到4×10²⁴ m⁻³，通过746 nm处N I线的斯塔克展宽确定。
• 在N₂/H₂O混合物中，Hα发射证实了氢的存在，并可通过Hα线展宽确定电子密度。
• 在复合阶段，电子密度衰减速率约为1.49×10⁷ s⁻¹（基于N I线）和8.6×10⁶ s⁻¹（基于Hα线），远低于电子-离子复合所预期的速率。
• 衰减过程延长及N发射延迟表明，脉冲后产生了大量高度激发的氮原子，表明能量以亚稳态和振动态激发形式被储存。