CN106872417B - 利用sdbd和发射光谱检测oh浓度的实验装置及方法 - Google Patents

利用sdbd和发射光谱检测oh浓度的实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置及方法,属于等离子技术领域。主要由环形线‑线式SDBD发生器(1)，电源系统(2)，供气系统(3)，紫外光源系统(4)，和发射光谱诊断系统(5)组成。由纳秒脉冲电源激励产生沿面介质阻挡放电等离子体，利用紫外光源和发射光谱技术，检测等离子体中OH自由基绝对浓度的。在检测OH绝对浓度时，首先检测仅紫外光的发射光谱，再检测紫外光通过放电等离子体区域后的发射光谱，最终计算得到OH自由基的绝对浓度。本发明可以解决传统技术检测活性物种绝对浓度时，操作复杂、设备昂贵等缺点。

Description

利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置及方法
技术领域
本发明属于等离子体技术领域。特别是涉及一种由纳秒脉冲电源或正弦交流电源，激励产生沿面介质阻挡放电等离子体，利用紫外光源和发射光谱技术，检测等离子体中OH自由基绝对浓度的实验装置及方法。
技术背景
近年来，放电等离子体由于其在材料改性、杀毒灭菌、污染物处理等方面的大量应用，得到了广泛的关注和研究。在装置简易、应用便捷的大气压空气放电中，放电等离子体能够产生大量的活性氮基团和活性氧基团，如N2(C)、N2(B)、N2(A)、OH、O、O3等。这些活性物种，尤其是活性氧基团中的OH等，在污染物处理和杀毒灭菌中起到了重要作用。因此，对于活性物种的绝对浓度检测是等离子体应用中的重要一环。活性物种的检测手段主要有激光诱导荧光、光腔衰荡光谱、发射光谱等，其中，光腔衰荡光谱则可以探测等离子体中活性物种的绝对浓度，而激光诱导荧光技术可以利用强激光器使等离子体基态粒子激发，从而探测基态粒子的存在。激光诱导荧光同样可以探测活性物种的绝对浓度，但在检测前需要进行复杂的标定。同时，这两种技术存在设备昂贵、操作复杂等缺点。而发射光谱技术是非探入式在线诊断技术，可以简单、便捷的检测等离子体中存在的活性物种，且在诊断前并不需要复杂的光路校准和标定等工作。同时，OH自由基主要产生于紫外带，能够良好的吸收紫外光。因此，本发明旨在提供一种利用发射光谱技术和紫外光源，检测放电等离子体中OH活性物种绝对浓度的实验装置及方法。
介质阻挡放电是产生放电等离子体的一种常见方式，介质阻挡放电通常有两种基本结构，即体积介质阻挡放电(VDBD和沿面介质阻挡放电(SDBD。VDBD通常由电极、介质板、气体间隙组成，微放电通道从一个电极产生，穿过气体间隙后到达另一电极，从而形成放电等离子体。而SDBD通常并不存在气体间隙，高压电极和地电极分别存在于介质材料两侧，放电沿介质板表面产生。由于沿面放电的等离子体区域集中，比起体积放电，沿面放电具有较高的能量效率，且能够产生较多的活性物种。同时，由于沿面放电产生于介质板表面，SDBD的放电区域可以更好地控制。因此，本发明中的待检测OH自由基由沿面介质阻挡放电等离子体产生。
发明内容
为了解决检测活性物种绝对浓度技术复杂、实验设备昂贵、等离子体区域不集中、不易受控制等问题，本发明提出了利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置及方法。
本发明提供了一种利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置，主要由环形线式SDBD发生器，电源系统，供气系统，紫外光源系统，和发射光谱诊断系统组成；放电等离子体由电源系统激励，在环形线式SDBD发生器中产生，由供气系统提供放电的气体氛围并保持一定的气体组分和流速，由紫外光源系统提供光源，发射光谱诊断系统进行在线光学诊断。
环形线式SDBD发生器由线型高压电极，管式地电极，石英介质管，和具支管组成；线型高压电极为金属圆柱体，长度小于石英介质管；石英介质管一端敞开，另一端为封闭且带有一个支出的具支管；石英介质管外侧表面开有一轴向半圆形凹槽，其直径与线型高压电极的直径一致，线型高压电极固定于凹槽中；管式地电极长度与线型高压电极一致，外径与石英介质管内径一致，与线型高压电极相对固定在石英介质管的内部；管式地电极与线型高压电极相对的侧面有一个深入内腔的轴向缺口，缺口两端间距与线型高压电极的直径一致；环形线式SDBD发生器的线型高压电极与电源系统相连，管式地电极接地，供气系统通过石英介质管的具支管提供气体氛围。放电在管式地电极的轴向缺口之间，沿石英介质管的内表面发生。
供气系统由气瓶、质量流量计、水浴锅、集水瓶组成。反应气的流量和组分由质量流量计控制，反应气由气瓶提供，反应气经过质量流量计进入水浴锅中的集水瓶的溶液中，再由管路收集集水瓶中的水蒸气经过具支管通入放电等离子体区域；水浴锅一般设置为70-85℃。
紫外光源系统由紫外灯和两个光学透镜、组成；光学透镜、平行放置，紫外灯正对两个光学透镜中心，紫外光由光学透镜A汇聚至光学透镜B的焦点处，再由光学透镜B折射为平行紫外光；保持紫外光与环形线式SDBD发生器的轴向平行，并由管式地电极的轴向缺口中间位置穿过整个放电区域。
发射光谱诊断系统由石英透镜，线型光纤探头，光纤，高分辨率光栅单色仪，电荷耦合器件，和计算机组成；石英透镜与光学透镜、平行放置，保持光学中心共线，并置于环形线式SDBD发生器两侧，放电等离子体发出的光信号通过石英透镜汇聚，由线型光纤探头采集后经过光纤导入高分辨率光栅单色仪分光，分光形成光信号经过电荷耦合器件转化为电信号，最终以光谱形式呈现在计算机上；其中，光栅选择2400l/m，光谱范围设置为305-310nm。
线型高压电极材料可以为白钢、黄铜等。
电源系统既可以是高压纳秒脉冲电源，也可以是正弦交流电源。
本发明中的沿面介质阻挡放电等离子体，由纳秒脉冲电源或正弦交流电源激励产生，等离子体的放电气体氛围由供气装置保证，紫外光则由光源提供。当紫外光通过放电等离子体区域后，利用发射光谱技术诊断OH自由基的绝对浓度。
本发明的有益效果是：(1)通过环形线式SDBD发生器，利用线型高压电极和带缺口的管式地电极，在大气压中产生了沿面介质阻挡放电等离子体；(2)利用线型高压电极和带缺口的管式地电极，使得放电沿石英介质管内壁发生，并集中于管式地电极的缺口之间，保证了放电产生SDBD等离子体线程长、区域集中，有利于紫外光的吸收与检测；(3)通过多次实验，确定了放电等离子体的轴向线程范围，保证紫外光具有足够吸收程的同时，又足以达到发射光谱诊断系统最低响应阈值；(4)利用紫外光源和发射光谱技术诊断了放电等离子体中OH的绝对浓度，解决了传统检测活性物种绝对浓度时(如利用激光诱导荧光技术或光腔衰荡光谱技术)，操作复杂、设备昂贵等缺点。(5)紫外光经过长程吸收后，会造成的光路偏差而导致光信号收集困难，本发明在发射光谱诊断系统中，利用了线型光纤探头扩大了光信号收集范围，使得光信号采集过程便捷易行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为环形线式SDBD发生器结构示意图。
图3为供气系统。
图4为紫外光源系统
图5为发射光谱诊断系统。
图中：1.环形线式SDBD发生器；2.电源系统；3.供气系统；4.紫外光源系统；5.发射光谱诊断系统；101.线型高压电极；102.管式地电极；103.石英介质管；104.具支管；301.气瓶；302.质量流量计；303.水浴锅；304.集水瓶；401.紫外灯；402.光学透镜A；403.光学透镜B；501.石英透镜；502.线型光纤探头；503.光纤；504.电荷耦合器件；505.高分辨率光栅单色仪；506.计算机。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。
利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置，主要由环形线式SDBD发生器1，电源系统2，供气系统3，紫外光源系统4，和发射光谱诊断系统5组成；环形线式SDBD发生器1由线型高压电极101，管式地电极102，石英介质管103，和具支管104组成；线型高压电极101为金属圆柱体，长度小于石英介质管103 10-30cm；石英介质管103一端敞开，另一端为封闭且带有一个支出的具支管104)；石英介质管103外侧表面开有一轴向半圆形凹槽，其直径与线型高压电极101的直径一致，线型高压电极101固定于凹槽中；管式地电极102长度与线型高压电极101一致，外径与石英介质管103内径一致，与线型高压电极101相对固定在石英介质管103的内部；管式地电极102与线型高压电极101相对的侧面有一个深入内腔的轴向缺口，缺口两端间距与线型高压电极101的直径一致；环形线式SDBD发生器1的线型高压电极101与电源系统2相连，管式地电极102接地，供气系统3通过石英介质管103的具支管提供气体氛围。放电在管式地电极102的轴向缺口之间，沿石英介质管103的内表面发生。
线型高压电极101为直径1-2mm、长50-70cm的金属圆柱体，材料可以为白钢、黄铜等。石英介质管103壁厚2-3mm，长60-80cm，具支管104位于封闭一端3-5cm处，长5-10cm，外径4-6mm，壁厚1-1.5mm。其外侧的轴向半圆形凹槽，直径与线型高压电极101的直径一致。管式地电极102为环形金属圆柱体，长度与线型高压电极101一致，外径6-8mm，与石英介质管103内径一致，壁厚为1.5-2mm。其轴向缺口间距与线型高压电极101的直径一致。
电源系统2既可以是高压纳秒脉冲电源，也可以是正弦交流电源。
供气系统3由气瓶301、质量流量计302、水浴锅303、集水瓶304组成。反应气的流量和组分由质量流量计302控制，水蒸气由水浴锅303和集水瓶304提供，水浴锅303一般设置为70-85℃。反应气由气瓶301提供，经质量流量计302控制后，通过集水瓶304，将水蒸气携带入放电等离子体区域。
紫外光源系统4由紫外灯401和光学透镜A402、光学透镜B403组成；光学透镜A402、光学透镜B 403平行放置，紫外灯401正对两个光学透镜中心，紫外光由光学透镜A402汇聚至光学透镜B403的焦点处，再由光学透镜B403折射为平行紫外光；保持紫外光与环形线式SDBD发生器1的轴向平行，并由管式地电极102的轴向缺口中间位置穿过整个放电区域。
发射光谱诊断系统5由石英透镜501，线型光纤探头502，光纤503，高分辨率光栅单色仪504，电荷耦合器件505，和计算机506组成；石英透镜501与光学透镜A402、光学透镜B403平行放置，保持光学中心共线，并置于环形线式SDBD发生器1两侧，放电等离子体发出的光信号通过石英透镜501汇聚，由线型光纤探头502采集后经过光纤503导入高分辨率光栅单色仪504分光，分光形成光信号经过电荷耦合器件505转化为电信号，最终以光谱形式呈现在计算机506上；其中，光栅选择2400l/m，光谱范围设置为305-310nm。
利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置实验方法为：
步骤一，组装环形线式SDBD发生器1，将线型高压电极101连接至电源系统2，管式地电极102牢固接地，并将环形线式SDBD发生器1接入供气系统3；
步骤二，启动供气系统3，调节放电等离子体的气体组分为80％氮气和20％氧气，打开水浴锅，设定水浴温度80℃；
步骤三，等待步骤2产生充足且稳定的水蒸气后，启动紫外光源系统4和发射光谱诊断系统5，调节光路，使得紫外光通过放电等离子体区域后进入发射光谱诊断系统5，选择2400l/m光栅，设置光谱范围为305-310nm，测量未产生放电等离子体时的发射光谱Su；
步骤四，启动电源系统2，待环形线式SDBD发生器1内产生稳定的等离子体后，保持步骤3中紫外光源系统4和发射光谱诊断系统5不变，测量含有等离子体的发射光谱Su+p；
步骤五，依次关闭电源系统2、紫外光源系统4、发射光谱诊断系统5、供气系统3，利用Su和Su+p计算SDBD等离子体中OH自由基的绝对浓度w＝∫Su+p-∫Su。

Claims (5)

1.利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置，主要由环形线式SDBD发生器(1)，电源系统(2)，供气系统(3)，紫外光源系统(4)，和发射光谱诊断系统(5)组成；放电等离子体由电源系统(2)激励，在环形线式SDBD发生器(1)中产生，由供气系统(3)提供放电的气体氛围并保持一定的气体组分和流速，由紫外光源系统(4)提供光源，发射光谱诊断系统(5)进行在线光学诊断；其特征在于环形线式SDBD发生器(1)由线型高压电极(101)，管式地电极(102)，石英介质管(103)，和具支管(104)组成；线型高压电极(101)为金属圆柱体，长度小于石英介质管(103)；石英介质管(103)一端敞开，另一端为封闭且带有一个支出的具支管(104)；石英介质管(103)外侧表面开有一轴向半圆形凹槽，其直径与线型高压电极(101)的直径一致，线型高压电极(101)固定于凹槽中；管式地电极(102)长度与线型高压电极(101)一致，外径与石英介质管(103)内径一致，与线型高压电极(101)相对固定在石英介质管(103)的内部；管式地电极(102)与线型高压电极(101)相对的侧面有一个深入内腔的轴向缺口，缺口两端间距与线型高压电极(101)的直径一致；环形线式SDBD发生器(1)的线型高压电极(101)与电源系统(2)相连，管式地电极(102)接地，供气系统(3)通过石英介质管(103)的具支管提供气体氛围；放电在管式地电极(102)的轴向缺口之间，沿石英介质管(103)的内表面发生。
2.根据权利要求1所述的利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置，其特征在于，供气系统(3)由气瓶(301)、质量流量计(302)、水浴锅(303)、集水瓶(304)组成；反应气的流量和组分由质量流量计(302)控制，反应气由气瓶(301)提供，反应气经过质量流量计(302)进入水浴锅(303)中的集水瓶(304)的溶液中，再由管路收集集水瓶(304)中的水蒸气经过具支管(104) 通入放电等离子体区域；水浴锅(303)设置为70-85℃。
3.根据权利要求1所述的利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置，其特征在于，紫外光源系统(4)由紫外灯(401)和光学透镜A(402)、光学透镜B(403)组成；光学透镜A(402)、光学透镜B(403)平行放置，紫外灯(401)正对两个光学透镜中心，紫外光由光学透镜A(402)汇聚至光学透镜B(403)的焦点处，再由光学透镜B(403)折射为平行紫外光；保持紫外光与环形线式SDBD发生器(1)的轴向平行，并由管式地电极(102)的轴向缺口中间位置穿过整个放电区域。
4.根据权利要求3所述的利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置，其特征在于，发射光谱诊断系统(5)由石英透镜(501)，线型光纤探头(502)，光纤(503)，高分辨率光栅单色仪(504)，电荷耦合器件(505)，和计算机(506)组成；石英透镜(501)与光学透镜A(402)、光学透镜B(403)平行放置，保持光学中心共线，并置于环形线式SDBD发生器(1)两侧，放电等离子体发出的光信号通过石英透镜(501)汇聚，由线型光纤探头(502)采集后经过光纤(503)导入高分辨率光栅单色仪(504)分光，分光形成光信号经过电荷耦合器件(505)转化为电信号，最终以光谱形式呈现在计算机(506)上。
5.根据权利要求2所述的利用SDBD和发射光谱检测OH浓度的实验装置，其实验方法为：
步骤一，组装环形线式SDBD发生器(1)，将线型高压电极(101)连接至电源系统(2)，管式地电极(102)牢固接地，并将环形线式SDBD发生器(1)接入供气系统(3)；
步骤二，启动供气系统(3)，调节放电等离子体的气体组分为80％氮气和20％氧气，打开水浴锅，设定水浴温度80℃；
步骤三，等待步骤二 产生充足且稳定的水蒸气后，启动紫外光源系统(4)和发射光谱诊断系统(5)，调节光路，使得紫外光通过放电等离子体区域后进入发射光谱诊断系统(5)，选择2400l/m光栅，设置光谱范围为305-310nm，测量未产生放电等离子体时的发射光谱Su；
步骤四，启动电源系统(2)，待环形线式SDBD发生器(1)内产生稳定的等离子体后，保持步骤三中紫外光源系统(4)和发射光谱诊断系统(5)不变，测量含有等离子体的发射光谱Su+p；
步骤五，依次关闭电源系统(2)、紫外光源系统(4)、发射光谱诊断系统(5)、供气系统(3)，利用Su和Su+p计算SDBD等离子体中OH自由基的绝对浓度w＝∫Su+p-∫Su。
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