【摘要】：等離子體源特性研究是低溫等離子體技術應用的基礎。小尺寸高功率密度等離子體具有功耗低、能量集中和高活性等特點,在局部、快速、高反應活性的處理工藝中有著重要應用。由于大的比表面積,小尺寸等離子體的有效功率密度難以提升,且特性診斷相對困難。本論文開展了三種小尺寸高功率密度等離子體的放電特性及材料處理研究。首先,以弧斑等離子體除鱗為背景,利用發(fā)射光譜和高速相機對鐵基表面弧斑等離子體的光學特性進行了診斷。利用玻爾茲曼斜率法計算了極間電子激發(fā)溫度(Texc)。研究表明,陰極材料對放電參數(shù)及其不穩(wěn)定性具有重要影響。Texc隨放電電流增大而增大。相比于純鐵陰極放電,在氧化的鋼表面放電時電子激發(fā)溫度較低,同時弧壓、Texc真。以及譜線強度的波動較小,弧斑的形態(tài)、位置也基本不變。這種不穩(wěn)定性主要與陰極微觀過程——爆裂式電子發(fā)射有關。當陰極表面存在氧化物時ecton更易點燃,ecton存在概率較大,陰極的發(fā)射狀態(tài)保持不變,因此放電具有更好的穩(wěn)定性。利用示波器研究了針-針電極結構下正十二烷以及重油液下高壓放電的擊穿特性。實驗發(fā)現(xiàn),增大電極間距時,擊穿電壓也隨之增大。相同條件下重油的擊穿電壓低于正十二烷,其可能的原因是重油中的雜質有利于氣泡核子的形成。分別研究了正對型、分開型、懸掛型三種不同的電極結構對液下放電的影響。連續(xù)液下放電的電極間距較小且不變,同時需避免電極間積碳而導致短路。設計了一個針-板型液下小間隙放電裝置對重油和正十二烷進行了等離子體處理,并對產物進行了氣相色譜、模擬分餾、粘度、四組分和SEM分析。正十二烷處理后得到的氣體產物主要由氫氣和烴類組成,其中氫氣的體積分數(shù)為38%。烴類中乙炔含量最高,其次為乙烯。處理后殘余液體的餾程向高溫方向偏移,并產生了微米級的碳顆粒。等離子體處理重油生成氣體和正十二烷生成氣體類似,但氫氣的體積分數(shù)更高,達42%;處理后的殘余液體粘度增大。這些表明,放電過程中正十二烷和重油在受到高壓放電等離子體的熱效應和高能電子作用后極易發(fā)生C-C鍵和C-H鍵的斷裂,產生了較多的分子碎片(小分子,自由基等),自由基的復合反應生成了氫氣以及氣態(tài)烴類。此外,聚合反應的存在導致處理后殘余液體有向重質轉化的趨勢。開展了小尺寸ICP等離子體射流在高功率密度模式下的光學特性研究。利用發(fā)射光譜法診斷了CH4/Ar等離子體參數(shù),采用Lifbase軟件對CH的A2△→X2П譜帶進行擬合計算了中性氣體的轉動溫度。隨著放電電壓的提高,電子獲得更高的能量激發(fā)、電離中性氣體以及離解分子,這使得中性氣體溫度有上升的趨勢,并導致了C2自由基濃度的上升與CH自由基濃度的輕微下降。當只增加CH4濃度時,由于反應物濃度的提高,C2濃度、CH濃度均有上升的趨勢。同時電子能更有效地通過振轉動能量轉移通道將能量傳遞給中性氣體,從而使得中性氣體溫度上升。利用氬氣和甲烷作為工作氣體,進行了小尺寸ICP射流在沉積碳材料上的初步應用研究,得到了柔軟、略發(fā)黃、易碎的沉積物,拉曼光譜和紅外光譜表明這種沉積物為主要含有CH3和CH2的聚合物。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O53
【圖文】：

ｐｓｎｅＫｅ邐（Ｌ５）逡逑其中Ｋ和ｅ隨著等效電子溫度７；的增大而增大。式（１．５）表現(xiàn)的關系可以用圖１．２逡逑中等離子體工作區(qū)表示。圖中的曲線為中性氣體等溫線，其中紅色實線為熱平衡逡逑曲線，即７；邋＝邋７；。紅色虛線（７；邋＝０．１邋７；）表示非平衡等離子體臨界條件，其下逡逑方陰影部分為非平衡等離子體工作區(qū)。逡逑Ｐｒｅｓｓｕｒｅ，邋ｐａ邋，、逡逑Ｊ邐Ｎｏｎ－ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ逡逑ｊ邐，ｅｇ＿ｍｅａｔ邋Ｖ邋0１邋１逡逑ｉ邋＼邋＾逡逑＼邐＼邐％邐。？邐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋ｃｏｏｆｍｇ，逡逑１邐＼邐冷少邐ｇａｓ邋ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ、逡逑＼邐＼邋Ｏ－邐ｐｕｌｓｉｎｇ邋ｅｔｃ．逡逑Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋邐邐４邐＼逡逑—邐ｖ＇邐＇邋＝邋７；逡逑Ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａ邋．邋Ａ邋￣、逡逑Ｒｅｇｉｍｅ邐＿邋—

本文編號：2796358