本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域。特別是涉及一種由納秒脈沖電源或正弦交流電源，激勵(lì)產(chǎn)生沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體，利用紫外光源和發(fā)射光譜技術(shù)，檢測(cè)等離子體中OH自由基絕對(duì)濃度的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

技術(shù)背景

近年來(lái)，放電等離子體由于其在材料改性、殺毒滅菌、污染物處理等方面的大量應(yīng)用，得到了廣泛的關(guān)注和研究。在裝置簡(jiǎn)易、應(yīng)用便捷的大氣壓空氣放電中，放電等離子體能夠產(chǎn)生大量的活性氮基團(tuán)和活性氧基團(tuán)，如N₂(C)、N₂(B)、N₂(A)、OH、O、O₃等。這些活性物種，尤其是活性氧基團(tuán)中的OH等，在污染物處理和殺毒滅菌中起到了重要作用。因此，對(duì)于活性物種的絕對(duì)濃度檢測(cè)是等離子體應(yīng)用中的重要一環(huán)?；钚晕锓N的檢測(cè)手段主要有激光誘導(dǎo)熒光、光腔衰蕩光譜、發(fā)射光譜等，其中，光腔衰蕩光譜則可以探測(cè)等離子體中活性物種的絕對(duì)濃度，而激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)可以利用強(qiáng)激光器使等離子體基態(tài)粒子激發(fā)，從而探測(cè)基態(tài)粒子的存在。激光誘導(dǎo)熒光同樣可以探測(cè)活性物種的絕對(duì)濃度，但在檢測(cè)前需要進(jìn)行復(fù)雜的標(biāo)定。同時(shí)，這兩種技術(shù)存在設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。而發(fā)射光譜技術(shù)是非探入式在線診斷技術(shù)，可以簡(jiǎn)單、便捷的檢測(cè)等離子體中存在的活性物種，且在診斷前并不需要復(fù)雜的光路校準(zhǔn)和標(biāo)定等工作。同時(shí)，OH自由基主要產(chǎn)生于紫外帶，能夠良好的吸收紫外光。因此，本發(fā)明旨在提供一種利用發(fā)射光譜技術(shù)和紫外光源，檢測(cè)放電等離子體中OH活性物種絕對(duì)濃度的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

介質(zhì)阻擋放電是產(chǎn)生放電等離子體的一種常見(jiàn)方式，介質(zhì)阻擋放電通常有兩種基本結(jié)構(gòu)，即體積介質(zhì)阻擋放電(VDBD和沿面介質(zhì)阻擋放電(SDBD。VDBD通常由電極、介質(zhì)板、氣體間隙組成，微放電通道從一個(gè)電極產(chǎn)生，穿過(guò)氣體間隙后到達(dá)另一電極，從而形成放電等離子體。而SDBD通常并不存在氣體間隙，高壓電極和地電極分別存在于介質(zhì)材料兩側(cè)，放電沿介質(zhì)板表面產(chǎn)生。由于沿面放電的等離子體區(qū)域集中，比起體積放電，沿面放電具有較高的能量效率，且能夠產(chǎn)生較多的活性物種。同時(shí)，由于沿面放電產(chǎn)生于介質(zhì)板表面，SDBD的放電區(qū)域可以更好地控制。因此，本發(fā)明中的待檢測(cè)OH自由基由沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決檢測(cè)活性物種絕對(duì)濃度技術(shù)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、等離子體區(qū)域不集中、不易受控制等問(wèn)題，本發(fā)明提出了利用SDBD和發(fā)射光譜檢測(cè)OH濃度的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

本發(fā)明提供了一種利用SDBD和發(fā)射光譜檢測(cè)OH濃度的實(shí)驗(yàn)裝置，主要由環(huán)形線式SDBD發(fā)生器，電源系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，紫外光源系統(tǒng)，和發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)組成；放電等離子體由電源系統(tǒng)激勵(lì)，在環(huán)形線式SDBD發(fā)生器中產(chǎn)生，由供氣系統(tǒng)提供放電的氣體氛圍并保持一定的氣體組分和流速，由紫外光源系統(tǒng)提供光源，發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)進(jìn)行在線光學(xué)診斷。

環(huán)形線式SDBD發(fā)生器由線型高壓電極，管式地電極，石英介質(zhì)管，和具支管組成；線型高壓電極為金屬圓柱體，長(zhǎng)度小于石英介質(zhì)管；石英介質(zhì)管一端敞開，另一端為封閉且?guī)в幸粋€(gè)支出的具支管；石英介質(zhì)管外側(cè)表面開有一軸向半圓形凹槽，其直徑與管式高壓電極的直徑一致，管式高壓電極固定于凹槽中；管式地電極長(zhǎng)度與線型高壓電極一致，外徑與石英介質(zhì)管內(nèi)徑一致，與管式高壓電極相對(duì)固定在石英介質(zhì)管的內(nèi)部；管式地電極與管式高壓電極相對(duì)的側(cè)面有一個(gè)深入內(nèi)腔的軸向缺口，缺口兩端間距與線型高壓電極的直徑一致；環(huán)形線式SDBD發(fā)生器的線型高壓電極與電源系統(tǒng)相連，管式地電極接地，供氣系統(tǒng)通過(guò)石英介質(zhì)管的具支管提供氣體氛圍。放電在管式地電極的軸向缺口之間，沿石英介質(zhì)管的內(nèi)表面發(fā)生。

供氣系統(tǒng)由氣瓶、質(zhì)量流量計(jì)、水浴鍋、集水瓶組成。反應(yīng)氣的流量和組分由質(zhì)量流量計(jì)控制，反應(yīng)氣由氣瓶提供，反應(yīng)氣經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入水浴鍋中的集水瓶的溶液中，再由管路收集集水瓶中的水蒸氣經(jīng)過(guò)具支管通入放電等離子體區(qū)域；水浴鍋一般設(shè)置為70-85℃。

紫外光源系統(tǒng)由紫外燈和兩個(gè)光學(xué)透鏡、組成；光學(xué)透鏡、平行放置，紫外燈正對(duì)兩個(gè)光學(xué)透鏡中心，紫外光由光學(xué)透鏡匯聚至光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)處，再由光學(xué)透鏡折射為平行紫外光；保持紫外光與環(huán)形線式SDBD發(fā)生器的軸向平行，并由管式地電極的軸向缺口中間位置穿過(guò)整個(gè)放電區(qū)域。

發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)由石英透鏡，線型光纖探頭，光纖，高分辨率光柵單色儀，電荷耦合器件，和計(jì)算機(jī)組成；石英透鏡與光學(xué)透鏡、平行放置，保持光學(xué)中心共線，并置于環(huán)形線式SDBD發(fā)生器兩側(cè)，放電等離子體發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)石英透鏡匯聚，由線型光纖探頭采集后經(jīng)過(guò)光纖導(dǎo)入高分辨率光柵單色儀分光，分光形成光信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷耦合器件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終以光譜形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上；其中，光柵選擇2400l/m，光譜范圍設(shè)置為305-310nm。

線型高壓電極材料可以為白鋼、黃銅等。

電源系統(tǒng)既可以是高壓納秒脈沖電源，也可以是正弦交流電源。

本發(fā)明中的沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體，由納秒脈沖電源或正弦交流電源激勵(lì)產(chǎn)生，等離子體的放電氣體氛圍由供氣裝置保證，紫外光則由光源提供。當(dāng)紫外光通過(guò)放電等離子體區(qū)域后，利用發(fā)射光譜技術(shù)診斷OH自由基的絕對(duì)濃度。

本發(fā)明的有益效果是：(1)通過(guò)環(huán)形線式SDBD發(fā)生器，利用線型高壓電極和帶缺口的管式地電極，在大氣壓中產(chǎn)生了沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體；(2)利用線型高壓電極和帶缺口的管式地電極，使得放電沿石英介質(zhì)管內(nèi)壁發(fā)生，并集中于管式地電極的缺口之間，保證了放電產(chǎn)生SDBD等離子體線程長(zhǎng)、區(qū)域集中，有利于紫外光的吸收與檢測(cè)；(3)通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定了放電等離子體的軸向線程范圍，保證紫外光具有足夠吸收程的同時(shí)，又足以達(dá)到發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)最低響應(yīng)閾值；(4)利用紫外光源和發(fā)射光譜技術(shù)診斷了放電等離子體中OH的絕對(duì)濃度，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)活性物種絕對(duì)濃度時(shí)(如利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)或光腔衰蕩光譜技術(shù))，操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)。(5)紫外光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)程吸收后，會(huì)造成的光路偏差而導(dǎo)致光信號(hào)收集困難，本發(fā)明在發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)中，利用了線型光纖探頭擴(kuò)大了光信號(hào)收集范圍，使得光信號(hào)采集過(guò)程便捷易行。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為環(huán)形線式SDBD發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為供氣系統(tǒng)。

圖4為紫外光源系統(tǒng)

圖5為發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)。

圖中：1.環(huán)形線式SDBD發(fā)生器；2.電源系統(tǒng)；3.供氣系統(tǒng)；4.紫外光源系統(tǒng)；5.發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)；101.線型高壓電極；102.管式地電極；103.石英介質(zhì)管；104.具支管；301.氣瓶；302.質(zhì)量流量計(jì)；303.水浴鍋；304.集水瓶；401.紫外燈；402.光學(xué)透鏡A；403.光學(xué)透鏡B；501.石英透鏡；502.線型光纖探頭；503.光纖；504.電荷耦合器件；505.高分辨率光柵單色儀；506.計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

利用SDBD和發(fā)射光譜檢測(cè)OH濃度的實(shí)驗(yàn)裝置，主要由環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1，電源系統(tǒng)2，供氣系統(tǒng)3，紫外光源系統(tǒng)4，和發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)5組成；環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1由線型高壓電極101，管式地電極102，石英介質(zhì)管103，和具支管104組成；線型高壓電極101為金屬圓柱體，長(zhǎng)度小于石英介質(zhì)管103 10-30cm；石英介質(zhì)管103一端敞開，另一端為封閉且?guī)в幸粋€(gè)支出的具支管104)；石英介質(zhì)管103外側(cè)表面開有一軸向半圓形凹槽，其直徑與管式高壓電極101的直徑一致，管式高壓電極101固定于凹槽中；管式地電極102長(zhǎng)度與線型高壓電極101一致，外徑與石英介質(zhì)管103內(nèi)徑一致，與管式高壓電極101相對(duì)固定在石英介質(zhì)管103的內(nèi)部；管式地電極102與管式高壓電極101相對(duì)的側(cè)面有一個(gè)深入內(nèi)腔的軸向缺口，缺口兩端間距與線型高壓電極101的直徑一致；環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1的線型高壓電極101與電源系統(tǒng)2相連，管式地電極102接地，供氣系統(tǒng)3通過(guò)石英介質(zhì)管103的具支管提供氣體氛圍。放電在管式地電極102的軸向缺口之間，沿石英介質(zhì)管103的內(nèi)表面發(fā)生。

線型高壓電極101為直徑1-2mm、長(zhǎng)50-70cm的金屬圓柱體，材料可以為白鋼、黃銅等。石英介質(zhì)管103壁厚2-3mm，長(zhǎng)60-80cm，具支管104位于封閉一端3-5cm處，長(zhǎng)5-10cm，外徑4-6mm，壁厚1-1.5mm。其外側(cè)的軸向半圓形凹槽，直徑與管式高壓電極101的直徑一致。管式地電極102為環(huán)形金屬圓柱體，長(zhǎng)度與線型高壓電極101一致，外徑6-8mm，與石英介質(zhì)管103內(nèi)徑一致，壁厚為1.5-2mm。其軸向缺口間距與線型高壓電極101的直徑一致。

電源系統(tǒng)2既可以是高壓納秒脈沖電源，也可以是正弦交流電源。

供氣系統(tǒng)3由氣瓶301、質(zhì)量流量計(jì)302、水浴鍋303、集水瓶304組成。反應(yīng)氣的流量和組分由質(zhì)量流量計(jì)302控制，水蒸氣由水浴鍋303和集水瓶304提供，水浴鍋303一般設(shè)置為70-85℃。反應(yīng)氣由氣瓶301提供，經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)302控制后，通過(guò)集水瓶304，將水蒸氣攜帶入放電等離子體區(qū)域。

紫外光源系統(tǒng)4由紫外燈401和兩個(gè)光學(xué)透鏡402、403組成；光學(xué)透鏡402、403平行放置，紫外燈401正對(duì)兩個(gè)光學(xué)透鏡中心，紫外光由光學(xué)透鏡402匯聚至光學(xué)透鏡403的焦點(diǎn)處，再由光學(xué)透鏡403折射為平行紫外光；保持紫外光與環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1的軸向平行，并由管式地電極102的軸向缺口中間位置穿過(guò)整個(gè)放電區(qū)域。

發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)5由石英透鏡501，線型光纖探頭502，光纖503，高分辨率光柵單色儀504，電荷耦合器件505，和計(jì)算機(jī)506組成；石英透鏡501與光學(xué)透鏡402、403平行放置，保持光學(xué)中心共線，并置于環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1兩側(cè)，放電等離子體發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)石英透鏡501匯聚，由線型光纖探頭502采集后經(jīng)過(guò)光纖503導(dǎo)入高分辨率光柵單色儀504分光，分光形成光信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷耦合器件505轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終以光譜形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)506上；其中，光柵選擇2400l/m，光譜范圍設(shè)置為305-310nm。

利用SDBD和發(fā)射光譜檢測(cè)OH濃度的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)方法為：

步驟一，組裝環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1，將線型高壓電極101連接至電源系統(tǒng)2，管式地電極102牢固接地，并將環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1接入供氣系統(tǒng)3；

步驟二，啟動(dòng)供氣系統(tǒng)3，調(diào)節(jié)放電等離子體的氣體組分為80％氮?dú)夂?0％氧氣，打開水浴鍋，設(shè)定水浴溫度80℃；

步驟三，等待步驟2產(chǎn)生充足且穩(wěn)定的水蒸氣后，啟動(dòng)紫外光源系統(tǒng)4和發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)5，調(diào)節(jié)光路，使得紫外光通過(guò)放電等離子體區(qū)域后進(jìn)入發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)5，選擇2400l/m光柵，設(shè)置光譜范圍為305-310nm，測(cè)量未產(chǎn)生放電等離子體時(shí)的發(fā)射光譜S_u；

步驟四，啟動(dòng)電源系統(tǒng)2，待環(huán)形線式SDBD發(fā)生器1內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體后，保持步驟3中紫外光源系統(tǒng)4和發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)5不變，測(cè)量含有等離子體的發(fā)射光譜S_u+p；

步驟五，依次關(guān)閉電源系統(tǒng)2、紫外光源系統(tǒng)4、發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)5、供氣系統(tǒng)3，利用S_u和S_u+p計(jì)算SDBD等離子體中OH自由基的絕對(duì)濃度w＝∫S_u+p-∫S_u。