摘要
大气压沿面放电作为一种低温等离子体产生技术，是产生大面积等离子体的有效方法。沿面放电等离子体具有安全、均匀等优点，并且可以根据被处理物的表面形貌设计电极，在诸多领域有着广阔的应用前景，例如生物医学、农业、食品安全以及环境保护等领域。沿面放电等离子体产生的活性物种在这些应用中起到了关键作用，其中，OH自由基是含水等离子体中氧化性最强的物种之一，在等离子体医学应用中起到了重要作用。本论文采用发射光谱、激光诱导荧光与高速拍照技术在大气压氦气条件下对正六边形网格阵列电极中交流沿面放电等离子体的时空演化过程及OH自由基的传输行为进行了研究，研究内容如下： 1.大气压氦气沿面放电等离子体时空演化过程研究。采用时空分辨发射光谱与高速拍照技术，在交流电源频率为30kHz条件下，对氦气沿面放电等离子体在正六边形网格单元内以及电极阵列上的时空演化过程进行了实验研究；选择四条典型的特征谱线，包括OH309nm、N2+391.4nm、He706.5nm和O777.4nm谱线，对其滤光图像的时空演化行为进行了研究。研究发现： (ⅰ)外加正弦交流电压的瞬时极性可以影响沿面放电等离子体特性，网格单元内等离子体在负半周期具有类似等离子体射流子弹的不连续结构，而在正半周期则具有连续的放电通道。 (ⅱ)随着外加电压幅值的增加，负半周期内会发生多次击穿导致出现多个电流脉冲，而正半周期只有一个电流脉冲。网格单元内，负半周期阶段发生击穿放电的位置在边电极中间区域与网格内角之间交替变化。负半周期中强电流脉冲的数量会影响正半周期发生气体击穿的位置：强电流脉冲数量为奇数时，正半周期放电起始于边电极中间区域，为偶数时放电起始于网格内角附近，即正半周期击穿位置与负半周期最后一个强电流放电击穿位置一致。 (ⅲ)通过研究正半周期网格单元内起始于不同位置的等离子体的相互作用，发现放电产生的表面电荷构建的空间电场与外加电场可以导致等离子体的分裂，等离子体在分裂的过程中会损失大量能量，从而导致发射强度降低。表面电荷分布在一定程度上决定等离子体的放电通道。 (ⅳ)沿面电极阵列上不同网格单元内等离子体的时空演化过程并不同步，已发生放电的网格会“引燃”与之相邻的未发生放电的网格单元，负半周期最后一次放电过程中等离子体在电极阵列上的传播方向与正半周期相反。沿面电极阵列上电离波的速度可达20km/s。 (ⅴ)利用滤光片获得等离子体特征谱线的滤光图像，并研究了其动态演化行为。在放电初期，电子碰撞激发在边电极附近的发射光谱的产生中起主导作用；在后期阶段，等离子体前沿的扇形扩散主要是由于潘宁电离过程和电荷转移反应。 2.大气压氦气沿面放电等离子体中OH自由基诊断研究。结合平面激光诱导荧光与高速拍照技术，测量了脉冲调制交流沿面放电中基态OH自由基的绝对密度，并研究了平行以及垂直于沿面放电电极阵列方向上OH自由基的时空演化过程。研究发现： (ⅰ)在激光切片与电极表面平行的条件下，研究了OH自由基密度与寿命随放电功率、脉冲开启时间(占空比)和探测距离的变化情况。结果表明放电功率与脉冲开启时间对OH寿命的影响显著，而对OH密度的影响较弱，与脉冲开启时间相比，OH寿命对放电功率的依赖更加显著；随着探测距离的增加，OH寿命逐渐增加，OH密度逐渐降低。 (ⅱ)在激光切片与电极表面垂直的条件下，研究了放电期间和放电间隙中OH自由基在垂直电极方向上的时空演化过程。结果表明电流体动力学效应引起的离子风主导了OH自由基从表面等离子体层到下游区域的传输，最大传输速度约为1.86m/s，垂直输运距离可达8mm，且离子风的作用在等离子体熄灭后依旧存在。输入功率对传输速度和输运距离没有显著影响。 (ⅲ)在激光切片与电极表面垂直的条件下，研究了网格电极几何参数对放电持续期间OH自由基在垂直电极方向上输运过程的影响。结果表明，增加阵列间距可以增加OH自由基的密度、输运距离和传输速度。阵列间距的增加可以增加反应性化学物质的传输距离，而缩小阵列间距有助于提高到达下游被处理样品上活性物种的均匀性。在固定的网格单元内部尺寸条件下，研究了网格线宽为0.25和1mm时OH自由基的空间分布，发现较宽的电极宽度可以获得均匀的活性物种分布，并提高下游区域OH自由基的密度。
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