压缩空气微波等离子体发射光谱的实验研究

压缩空气微波等离子体发射光谱的实验研究
刘永喜;张贵新;王强;侯凌云
【摘要】利用微波等离子体发生装置,以压缩空气为工作气体,在1～5 atm气压下激发了微波等离子体.使用光谱测量系统,对不同气压和不同入射微波功率情况下的压缩空气微波等离子体的发射光谱进行了实验研究.结果显示,在其他条件不变时,随着气压升高,压缩空气微波等离子体的带状连续谱特征逐渐减弱；随着入射微波功率降低,带状连续谱强度逐渐减弱而带状连续谱特征依然显著.实验结果为了解压缩空气微波等离子体的光谱特性和NO活性基团的产生条件提供了实验依据.
【期刊名称】《光谱学与光谱分析》
【年(卷),期】2013(033)003
【总页数】4页(P794-797)
【关键词】微波等离子体;气压;入射微波功率;发射光谱
【作者】刘永喜;张贵新;王强;侯凌云
【作者单位】清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084;清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084;清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084;清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】O531;O433.1
引言
近年来，对内燃发动机的微波点燃及助燃方式的研究日益受到重视［1－4］。

对
高气压工作条件下压缩空气微波等离子体的光谱特性进行研究，能够为了解压缩空气微波等离子体的特性以及NO活性基团的产生条件等提供实验依据，为内燃发
动机空燃混合气的微波等离子体点火提供指导。

长期以来，对常压及低气压工作条件下微波等离子体发生技术及其应用的研究处于活跃状态，而对更高气压工作条件下的微波等离子体发生技术的研究较少，对高气压工作条件下微波等离子体特性的研究相应较少。

近年来，我们积极开展了大气压及以上压力工作条件下微波等离子体发生装置的研究工作，发展了一种基于圆柱形谐振腔的微波等离子体发生装置，它能够以低于1kW的入射微波功率在高达10 atm的工作压力下激发微波等离子体，为内燃发动机的微波等离子体点火提供了
新的可能的技术方案，在节能减排方面具有潜在的应用价值。

本文在微波等离子体发生装置平台上，利用光谱测量系统研究了不同气压和不同入射微波功率条件下压缩空气微波等离子体发射光谱特性。

1 实验部分
实验装置如图1所示，主要有微波等离子体发生装置、供气系统和光谱测量系统。

在实验过程中，环境温度为20℃，湿度为15%。

微波等离子体发生装置的工作原理是：固态脉冲微波源输出高功率微波，经过环行器、双定向耦合器、同轴电缆和耦合装置，把微波功率耦合到圆柱形谐振腔内，并在一定空间区域内形成强电场，当微波电场强度超过压缩空气的击穿阈值时，即可激发压缩空气微波等离子体，在耦合装置探针到圆柱形谐振腔底面之间形成一个圆柱状的微波等离子体区域。

光谱仪（AvaSpec－USB2.0－DT，Avantes）的光纤入光端通过由石英玻璃制作的观测窗口接收微波等离子体发光，然后传输到与计算机相连的光谱探测器，最后在计算机上利用光谱仪应用软件采集并存储发射光谱。

光谱仪测量波长范围是
200～828nm，积分时间是210ms，由外输入TTL电平信号触发开始工作。

在实验前用标准光源对光谱仪的波长进行标定。

固定光纤入光端接收发光的位置，光纤入光端与圆柱形谐振腔中心轴线间的水平距离为74mm，该距离即是光纤入光端
与空气微波等离子体发光中心之间的水平距离。

圆柱形观测窗口为光谱测量装置提供光学通道，其直径为7mm，长度为27.5mm。

利用计算机应用软件设置固态脉冲微波源的工作参数并控制微波源的启动和关断。

在实验中，工作频率视选用的耦合装置、圆柱形谐振腔及工作压力而定，脉冲个数设置为10，脉冲宽度为2ms，脉冲周期为20ms。

供气系统主要由压缩空气瓶、气瓶阀、减压阀、球阀、压力表、气管等组成，用于向谐振腔内充入压缩空气、调节谐振腔内的气压以及排出激发微波等离子体后的气体。

Fig.1 Schematic diagram of the experimental system
2 结果与讨论
2.1 不同工作压力下空气微波等离子体光谱特性
采用光谱仪分别记录了1～5atm工作压力下、860W入射微波功率作用下压缩空气微波等离子体的发射光谱，主要特征谱线如图2所示。

在1atm气压下，空气微波等离子体发射光谱以带状连续谱为主，典型的连续谱是以213.85，225.50，235.93，246.78，258.48，271.24nm 为带头的 NO 带
状谱和以295.54，315.89，337.12，352.51nm为带头的N2（C－B）带状谱［5－8］，同时存在777.23和777.42nm 波长的 O原子特征谱线［5，9］。

在其他条件不变的情况下，随着工作压力的增大，200～365nm波长范围上的连
续谱强度总体上呈增强趋势，金属原子的线光谱强度逐渐增强并出现了更多的金属原子线光谱，NO和N2（C－B）带状谱特征总体上呈现逐渐减弱甚至消失的趋势，O原子特征谱线强度总体上表现为先减弱再趋于稳定。

需要指出，由于耦合装置的材料是铜合金，谐振腔的材料是铝合金，并且耦合装置和谐振腔表面镀层中含有钾、钠等金属元素，所以耦合装置及谐振腔上的金属元素在微波等离子体作用下被激发而容易形成金属原子发射光谱。

例如，324.80，327.45，313.10，338.38，229.39，261.84 和282.51nm线光谱是 Cu原子特征谱线［10］，265.11nm 线光谱是Al原子特征谱线，285.25nm线光谱是Na 原子特征谱线，有关金属原子谱线参数可查阅NIST［11］。

2.2 不同入射功率下空气微波等离子体光谱特性
采用光谱仪分别记录了大气压下在518，609，683，766和860W等不同入射微波功率下的空气微波等离子体发射光谱，主要特征谱线如图3所示。

由图3可见，在其他条件不变的情况下，随着入射微波功率的减小，以213.85，225.50，235.93，246.78，258.48，271.24nm 为带头的 NO 带状谱和以295.54，315.89，337.12，352.51nm为带头的 N2（C－B）带状谱的强度逐渐减弱，777.23和777.42nm波长的O原子特征谱线强度总体上逐渐减弱，324.80和327.45nm波长的Cu原子特征谱线强度也逐渐减弱。

Fig.2 Emission spectra under different pressures of compressed air
Fig.3 Emission spectra under different incident power
3 结论
利用基于圆柱形谐振腔的微波等离子体发生装置和光谱测量系统，测量了不同工作气压下和不同入射微波功率情况下压缩空气微波等离子体的发射光谱，分析了发射光谱的特征分布和变化趋势。

结果表明，在常压下压缩空气微波等离子体发射光谱表现出显著的带状谱特征；在其他条件不变时，随着工作压力增大，压缩空气微波等离子体的NO带状连续谱和N2（C－B）带状连续谱特征逐渐减弱甚至消失，O 原子特征谱线趋于稳定，金属元素原子线光谱特征逐渐突出；在其他条件不变时，随着入射微波功率降低，NO带状连续谱、N2（C－B）带状连续谱强度逐渐减弱
而带状谱特征依然显著，O原子特征谱线强度逐渐减弱，金属元素原子线光谱强
度也逐渐减弱。

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