等离子体温度

等离子体温度（共3篇）

等离子体温度 篇1

电感耦合高频等离子体是指利用电感线圈形成的高频电磁场,将气体电离而形成的等离子体[1]。大功率高频等离子体具有无电极污染、能量密度大、温度高及气氛可控的特点,越来越多地被应用于高纯材料合成[2]、材料表面处理[3,4,5]、废弃物处理[6]与粉体制备[7]等领域。电离气体是形成等离子体的气源,其组分影响等离子体的温度并进一步影响其使用性能。本文通过改变电离气体中O2、Ar与N2气体的含量,研究了有无Si Cl4原料加入时不同组分对高频等离子体温度的影响,并进一步讨论了O2、Ar对Si O2形成的影响,为常压高频等离子体的应用提供了指导。

1 试验材料与方法

实验使用工作频率为2.6 MHz的电感耦合高频等离子体发生器,所用保护气体为净化后的干燥空气。在正常大气压下点燃等离子体后,将输入功率保持在80 k W,将等离子体保护气体流量控制在8 m3/h。在电离气体总流量保持在4 m3/h的条件下,改变电离气中O2、Ar与N2气体的含量,以实验不同电离气体组分对等离子体的影响。同时分别实验有无Si Cl4原料加入时的影响。Si Cl4流量控制在5 g/min,并使用流量为0.05 m3/h的高纯O2气作为载料气体通入等离子体。使用光纤光谱仪测量距出口9 cm处等离子体的发射光谱,光谱仪积分时间为50 ms。所用光纤光谱仪为Avantes公司生产的Ava Spec-ULS-3648型7通道高分辨光纤光谱仪,测量光谱范围为200~1 077 nm,最小分辨率0.05nm,并使用Ava Light-DH-CAL辐射校准光源进行了校准。

2 试验结果及讨论

2.1 电子温度的诊断

对常压高频等离子体温度的诊断,常用的方法为发射光谱玻尔兹曼图解法[8]。常压高频等离子体满足局部热力学平衡条件(LTE),电子能量分布近似满足玻尔兹曼分布,其发射谱线强度满足式(1)。

式(1)中,Iul为某粒子从上能级u跃迁到下能级l发射的光强度,v为该跃迁发射光子的频率,A为相应的跃迁几率,g为相应的统计权重,Eu为激发态能级,Te为电子温度,k为玻尔兹曼常数,K为与谱线无关的常数。

取相同粒子(原子或离子)发射的若干条谱线,根据测得的发射强度,以及已知的v、A、g、k等参数,以Eu为横坐标,以ln(Iul/Avg)为纵坐标作图(图1),然后进行线性拟合得出直线的斜率即-1/k Te,进而计算出所测等离子体的电子温度Te。一般而言,使用谱线数量越多,计算结果越准确。本文选取了738~940 nm光谱范围内的19条N I谱线,其基本参数见表1[9]。

测量电离气体为空气时的等离子体光谱,把测得谱线强度代入公式(1),根据表1中的参数,得到各谱线对应的ln(Iul/Avg)值,从而可作玻尔兹曼曲线,如图2所示。根据图2拟合直线的斜率为-1.777,计算得该条件下的电子温度为6 531 K。

2.2 O2含量对等离子体温度的影响

由于空气较容易廉价地获得,在工业应用中更多采用洁净空气作为高频等离子体的电离气体。空气的成分主要为N2与O2气体,此两种气体的含量不同可能影响等离子体的使用性能。因此,为了研究O2的作用,本文实验了电离气体为O2与N2气体的不同配比对高频等离子体的影响。

图2为O2占电离气体比例从10%~90%时等离子体在540~665 nm波段的发射光谱,其中21%工况使用了净化空气作为电离气体,其他条件分别使用相应流量的高纯O2与N2气体。图3为加入Si Cl4原料之后的等离子体发射光谱。根据发射光谱计算各条件下等离子体电子温度,结果示于图4。

由图2可见,随着电离气体中O2含量的增加,O I在615.82 nm与645.60 nm处的发射谱线强度显著增加,而648.48 nm处N I的发射谱线强度逐渐降低,这显然是由于O原子数量增加同时N原子数量减少所致。根据图4中电子温度计算结果可知,在加料前O2含量从10%增加到90%时,等离子体电子温度从6 282 K大幅增加到了7 047 K。究其原因,一方面,O2与N2的第一电离能分别为12.07 e V与15.05 e V,O2更容易被电离并释放电子;另一方面,O与N的相对原子量分别为16与14,原子半径分别为0.066 nm与0.008 nm,相对与N原子,O原子的质量虽然增加了14%,但碰撞截面减小了32%,因此O原子对电子运动的阻力更小。因此,O2含量越高,等离子体电子温度越高。

往等离子体中加入Si Cl4原料后,相同组分时等离子体电子温度有所降低(见图4),这是由于Si Cl4吸收了电子的部分能量。而电子温度同样随O2含量增大而升高,与未加料时的结果一致。由图3所示的等离子体发射光谱可见,在加入Si Cl4原料条件下,随着电离气体中O2含量增加,O I与N I谱线强度变化与未加料时一致。而Si谱线强度却出现了不寻常的变化,其随着O2含量增加而显著降低,当O2比例增加到70%以上时,几乎无法观察到Si谱线。这是由于Si粒子(原子或离子)极易与O粒子结合成Si O2颗粒,O2含量越高,Si结合成Si O2颗粒的几率越大,游离的Si就越少。可见,提高O2含量可促进Si O2的形成。

因此,在高频等离子体的具体应用中,可通过增加电离气体中O2的含量来提高等离子体温度;同时,在以获得Si O2为目的的场合中,提高O2含量可促进Si结合成Si O2,进而大幅提高原料利用效率。

2.3 Ar掺入比例对等离子体温度的影响

本文同时实验了惰性气体Ar的掺入对高频等离子体的影响。在电离气体总流量不变的情况下,往空气中掺入了0~80%的Ar气。图5为没有Si Cl4原料加入时不同Ar含量的等离子体在738~940 nm波段的发射光谱,图6为在加入Si Cl4原料条件下等离子体在540~665 nm波段的发射光谱,需要说明的是,由于Ar在540~665 nm波段没有显著的发射谱线,为了便于讨论,未加料时的图5选择了Ar谱线较多的738~940 nm波段。同时,根据2.1节的玻尔兹曼图解法计算了等离子体电子温度,结果示于图7。

由图7可见,无论是否加入Si Cl4原料,等离子体电子温度均随Ar气含量增加而轻微提高,这是由于电离状态下Ar的热容较低,对电子动能的损耗较少所致[1]。由图5可知,随着Ar含量的增加,Ar I的谱线强度逐渐增加,而O I与N I谱线强度未发生明显变化,可见Ar的掺入没有影响O、N粒子的电离状态,图6同样说明了这一点。根据图6可知,在加入Si Cl4原料时,Si的发射谱线强度随着Ar含量增加而轻微降低。例如随着Ar含量从0%逐步增加到80%,Si I在570.84 nm的谱线相对强度从7 681逐步降低到了4 918,说明游离Si原子数量逐渐减少。可见Ar在一定程度上促进了Si与O粒子结合成Si O2,这可能是由等离子体电子温度的升高促进了Si的电离,因而增加了其活性。通过与2.2节结果对比可知,Ar掺入对电子温度及Si的影响不如O2显著。因此,掺入Ar气一定程度上有利于提高等离子体温度与Si O2形成效率,但在实际使用过程中应注意惰性气体Ar对氧化气氛的影响。

3 结论

(1)随着电离气体中O2含量的增加,高频等离子体电子温度显著增加。同时,O2含量的增加可促进Si与O粒子结合成Si O2,提高原料利用率。

(2)往电离气体空气中掺入Ar同样可以提高等离子体电子温度并促进Si O2的形成,但其作用弱于O2的影响。

摘要：电感耦合高频等离子体在高纯材料合成等领域具有重要应用。电离气体组分影响等离子温度,并影响其使用性能。通过改变电离气体中氧气与氮气的配比,以及往空气中掺入不同比例的氩气,研究了电离气体组分对高频等离子体温度的影响。结果表明,电离气体中氧气相对氮气气体比例的增加可显著提高等离子体温度,同时可促进Si与O粒子的结合。在加料前氧气含量从10%增加到90%时,等离子体电子温度从6 282 K增加到了7 047 K;加料后电子温度同样随氧气含量增加而升高;并且游离Si粒子数量随之显著降低;往空气中掺入氩气同样可以提高等离子体电子温度并促进二氧化硅的形成,但其作用弱于氧气。

关键词：高频等离子体,电离气体,电子温度

参考文献

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等离子体温度 篇2

等电子法测量小能量激光打靶等离子体电子温度

以低Z的CHO薄膜作为样品靶,在星光激光装置上以小能量激光辐照样品靶产生温度较低的等离子体,采用每毫米2400线的平焦场光栅谱仪测量等离子体发射的.碳和氧离子发射谱线强度比,并与理论计算相应线强比较,获得了电子温度,建立了等电子法测量较低温度(100eV左右)等离子体电子温度的诊断技术.

作 者：杨家敏 丁耀南 陈波 郑志坚 杨国洪 张保汉 王耀梅 张文海  作者单位：中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳市919-986信箱,绵阳,621900 刊 名：物理学报  ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA PHYSICA SINICA 年，卷(期)： 52(2) 分类号：O4 关键词：电子温度   激光等离子体   等电子x射线谱法  

等离子体温度 篇3

一氧化氮(NO)是生物体内血管内皮衍生的舒张因子[1],因其具有选择性松弛血管内皮平滑肌等功能,在临床救治新生儿急性肺损伤和持续肺动脉高压和高原性肺水肿等相关疾病方面逐步得到广泛应用[2,3]。电弧放电是产生NO的一种新方法[4,5,6],因其能随时随地产生医疗救治所需要的NO,解决了化学方法产生的需要先贮存在高压钢瓶,使用时再将高浓度(一般为400～800ppm)的NO减压稀释到低浓度(NO:3～20ppm,且NO2/NO<5%)和价格昂贵[7]等问题而受到重视,但空气放电过程中总有少量的NO2有毒气体生成。因此,如果能在放电过程中,通过控制电弧放电等离子体的某些参数,抑制或减少生成NO2的等离子体化学反应途径,对于实现电弧放电合成医用可吸入性NO具有重要意义。研究放电等离子体参数的方法有包括光谱法、探针法、动态热偶法和微波、激光法等多种方法[8,9,10],这几种方法都是通过实验测量和分析,获得某个参数或几个参数量的大小,而不能够给出放电过程相关参数局部或整个的变化过程。事实上,数学物理解析方法不仅能够间接的获得放电过程中的某个参数或几个参数量的大小,而且还能够给出放电过程相关参数局部或整个变化过程,有利于揭示等离子体发生器内部物理化学过程[11,12]。为此,本文利用ANSYS软件,对不同电流和弧长的电弧等离子体温度分布进行模拟,希望从微观角度对电弧等离子体的温度分布和电流密度等参数进行理论分析,找出空气电弧放电NO2产生的原因,为抑制NO2的产生提供科学依据。

1 实验装置和实验方法

图1是脉冲电弧放电生成NO的实验装置简图,主要由洁净空气产生装置、脉冲电压发生装置、等离子体反应器、微粒滤膜和氮氧化物检测仪组成。针-板电极放在一个耐热、耐腐蚀的特氟龙材料制作的盒中。用Tektronix TDS754D(美国)示波器测量放电电压和电流波形;在放电达到稳态(5分钟)后,用Q-RAE PGM-2000复合式气体检测仪(美国RAE)测量放电处理后气体中的NO和NO2 气体的浓度。本次实验条件:针-板电极分别是不锈钢和钼材料制成,放电频率22Hz,电极间距1～7mm,气体流量3l/min,常温常压。

2 电弧等离子体模型

2.1 电弧等离子体基本模型

空气电弧放电产生少量NO2的原因可能涉及到局域热平衡等离子体温度分布不均和热平衡等离子体中存在着非热平衡等离子体现象[13]。为此,本论文将从局域热平衡等离子体温度分布方面,探寻电弧放电中产生NO2浓度高低问题。并对电弧等离子体数值模型作了如下基本假设:

1) 假定电弧是处于局部热动态平衡(LTE)的;

2) 电弧是稳定、连续和对称的,流动处于层流状态;

3) 电弧是光学薄的,即辐射的重新吸收和总的辐射损失相比可以忽略不计,流动处于层流状态;

4) 由于粘性效应导致的热损失忽略不计。

据此设u=u(r,z)和v=v(r,z)分别表示弧柱z和r方向的流体速度分量,那么在柱坐标下(r,χ,θ)建立的电弧数值守恒方程(包括质量守恒方程、动量方程、能量方程和电流连续方程)分别为[14]:

质量守恒方程:

$\frac{\partial }{\partial x}(\rho u)+\frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial r}(\rho rv)=0(1)$

动量方程径向表达式:

$\begin{array}{l}\rho \left(\frac{\partial u}{\partial t}+u\frac{\partial u}{\partial r}+v\frac{\partial u}{\partial z}\right)\\ =R-\frac{\partial p}{\partial r}+\mu \left(\frac{\partial {}^{2}u}{\partial r{}^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial r}-\frac{u}{r{}^2}+\frac{\partial {}^{2}u}{\partial z{}^2}\right)(2)\end{array}$

动量方程轴向表达式:

$\begin{array}{l}\rho \left(\frac{\partial v}{\partial t}+u\frac{\partial v}{\partial r}+v\frac{\partial v}{\partial z}\right)\\ ={\rm Z}-\frac{\partial p}{\partial z}+\mu \left(\frac{\partial {}^{2}v}{\partial r{}^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial v}{\partial r}+\frac{\partial {}^{2}v}{\partial z{}^2}\right)(3)\end{array}$

能量方程为

$\begin{array}{l}\rho c{}_{\text{p}}\left(\frac{\partial {\rm T}}{\partial t}+u\frac{\partial {\rm T}}{\partial z}+v\frac{\partial {\rm T}}{\partial r}\right)\\ =\frac{\partial }{\partial z}\left(k\frac{\partial {\rm T}}{\partial z}\right)+\frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial r}\left(kr\frac{\partial {\rm T}}{\partial r}\right)+Q(4)\end{array}$

电流连续方程:

$\frac{1}{x}\frac{\partial }{\partial x}\left[x\sigma \frac{\partial \Phi }{\partial x}\right]+\frac{\partial }{\partial z}\left[\sigma \frac{\partial \Phi }{\partial z}\right]=0(5)$

欧姆定律:

$j{}_x=-\sigma \frac{\partial \text{ϕ}}{\partial x}j{}_z=-\sigma \frac{\partial \text{ϕ}}{\partial z}(6)$

安培环流定律:

$B{}_{\theta }=\frac{\mu {}_0}{x}{\displaystyle {\int }_0^{x}x}j{}_{z}dx(7)$

其中:ρ是密度;u、v分别表示轴向和径向的速度分量;μ是粘度;cp是比热,k是导热系数,P是压力;T是温度。σ为电导率,Ф为电势、μ0=4π×10-7为真空磁导率。

2.2 计算区域和边界条件

电弧数值计算模型如图2所示,图中AFB区域代表阴极区,BCDEF区域代表阳极区,电弧参量(温度、电弧压力等)的计算区域是BCDEF。采用变步长映射方法划分六面体型网格,因在电弧中心区域存在较大的温度变化,为得到较精确的数值解,该区采用较大的网格密度。

电流边界条件:在电极断面处,由于电极材料导电性的各向同性,且附近的电弧温度较低,其电导率远远低于电极的电导率,可以认为电流在此处是沿Z方向分布的,则由下式给定电流边界条件:

$J{}_{\text{z}}=\frac{{\rm I}}{\pi R{}_1^2}J{}_{\text{X}}=J{}_{\text{Y}}=0(8)$

式中:I是电流,R1是电极半径

温度边界条件:取电极壁面和阴极面温度为5000K,对称面为绝热边界;其他面的温度为1000K。

3 模拟计算结果与分析

3.1 不同电流条件下等离子体温度场分布

电极间距为3.5mm(或弧长取3.5mm),电流分别取1200A、1000A和700A时,ANSYS模拟的电弧放电等离子体温度场分布如图3～7所示。

从图3～5可知,电流为1200A、1000A和700A三种电流条件下,电弧温度场分布特征相似,最大温度都在弧柱中心靠近电极的位置,温度随着离轴向距离的增加而降低,随着电流的增加温度也随之增加,即温度与电流成正比,而且随电流的增加,阳极附近的温度增加。三种电流对应的电弧最高温度分别为30015K、23011K和17008K。同时,模拟结果也显示,随着电流的增加电流密度增大,最大电流密度在电极附近。对应的电流密度最大值分别为1.41×107A/m2、1.17×107A/m2和8.22×106A/m2。

从图5的电弧温度分布可知,当电流=1200A时,电弧温度分布范围为1394～30015K,按照文献[15],洁净的N2和O2合成NO的热力学平衡中,当温度约在1700～3800K范围内,将产生NO2,当温度在2000K左右时NO2产生量最大。因此,电流=1200A时的电弧放电过程中必然会有NO2生成。同理,电流为1000A和700A时的电弧放电过程中也有NO2的生成。因此,要想抑制放电过程中NO2的生成,可以通过提高电弧放电电流的方法,使弧柱边界的最低温度控制在某个适当的数值。

3.2 不同弧长条件下的等离子体温度场分布

图6～8为电流=1000A,弧长分别取1mm、3.5mm和7mm,其它条件不变时,ANSYS模拟的电弧等离子体温度场分布。

从图6～8可知,弧长越长,弧柱最高温度越高。当弧长从1mm增加到7mm时,电弧的最高温度由13014K增加到23011K和32003K。而且随着弧长的增加,电弧温度场分布的差异逐渐明显,同时弧柱边界温度越来越高,这有利于抑制NO2的生成。模拟结果显示,阳极电流密度随着弧长的增加而增加,阴极电流密度随弧长的增大而略有减少。对应的电流密度最大值分别为9.95×106A/m2、1.17×107A/m2和2.54×107A/m2。

4 结束语

电弧放电的ANSYS数值模拟显示,在一定的实验条件下,当电流增大时,阳极附近温度增大,阳极电流密度增大;当弧长增加时,阳极附近温度增大,阳极表面电流密度增大,阴极电流密度略变小。脉冲电弧放电形成的局域热平衡等离子体温度分布存在差异,这种差异是导致空气电弧放电产生NO2气体的原因之一。可以通过提高放电电流的方法,控制等离子体化学反应所需要适当温度,达到抑制放电过程中NO2的产生。