光谱仪与iCMOS在等离子体物理实验中的集成应用探究

技术介绍

等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系，组分复杂的粒子在空间中自由移动碰撞，发出的电磁辐射谱覆盖了从红外到真空紫外波段的广阔范围[1]。这一特性反映了等离子体内部复杂的原子和分子过程，也为探究等离子体特性提供了理论依据。

利用等离子体光谱诊断技术可以观察到激发态物种的光谱强度、活性物种的相对分布、震动温度以及转动温度等关键参数。这些参数反映了等离子体内部物理和化学过程的动态平衡，在等离子体电子输运过程及化学反应过程中发挥着重要作用[2]，也为优化等离子体技术、提高应用效果提供了重要理论指导。

产品应用

大气压高压纳秒脉冲DBD实验装置由纳秒高压脉冲电源、等离子体反应器及电极、发射光谱测量系统和配气系统构成，示意图如图1所示。

图1：高压纳秒脉冲DBD装置示意图

图2：DBD氩气放电发射光谱图

图3：DBD氩气放电IsCMOS动画

设置高压脉冲电源参数为3kV，2kHz，500ns，Ar气流速3L/min，DBD放电发射光谱如图2所示，由N2(C3Πu-B3Σg)和大量的Ar原子线构成。其中N和O的谱线是由空气扩散到工作气体中造成的。N2(C3Πu-B3Σg)由亚稳态Ar的彭宁效应产生[3]。图3中的放电动画展示了等离子体在强电场和气流作用下由高压电极沿介质表面向地电极的发展过程。

图4：DBD空气放电电流电压图

图5：DBD空气放电发射光谱图

图6：DBD空气放电IsCMOS图像

设置高压脉冲电源参数为8kV，2kHz，500ns，大气压空气脉冲DBD放电电流电压图如图4所示，观察到两个放电电流区间，分别是电压脉冲上升沿的正峰和下降沿的负峰。其中，正电流的幅值远高于负电流的幅值，负电流的出现是由于正放电过程中的电荷积累。由于放电回路中存在容性器件，在脉冲的第一个峰值结束后，放电存在多个纳秒级的震荡，持续一段时间后降至零点附近。发射光谱如图5所示，由N2(C3Πu-B3Σg)、N2+(B2Σu-X2Σg)和N2(B3Σg-A3Σu+)构成。整个波长范围内，光谱强度最高的谱线为337.1nm，氮气的第二正带系的谱线最清晰且光谱强度最高，这是由于氮气亚稳态基团退激发产生的。图6展示了一个脉冲周期内IsCMOS图像变化。

引用文献

[1]孙雨. 空气中局部放电发射光谱特性研究_孙雨[D]. 沈阳工业大学, 2023[2]大气压氩气_空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断_李政楷[J].[3]兰宇丹,何立明,丁伟,等. 氩气含量对空气介质阻挡放电发射光谱的影响_兰宇丹[J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(04): 898-901.

作者简介

李春博士

北京化工大学动力工程及工程热物理专业在读博士，北京化工大学英蓝实验室先进等离子体与智能装备制造课题组，课题组研究方向包括等离子体放电结构研究，等离子体仿真模拟，等离子体实时诊断和等离子体多模态数据融合分析。

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